DE102022105135A1 - Process for reducing contour errors when cutting with a liquid or gas jet - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Konturfehlern, die durch einen Strahlnachlauf beim Schneiden eines Werkstücks mit einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl auftreten. Bei dem Verfahren wird der Strahlnachlauf in konvexen Abschnitten des Schnittpfades vollständig, in konkaven Abschnitten jedoch nur teilweise kompensiert. Dadurch lässt sich eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bei hoher Konturgenauigkeit erreichen.The present invention relates to a method for reducing contour errors that occur as a result of jet lag when cutting a workpiece with a liquid or gas jet. In the method, the ray lag is fully compensated in convex sections of the cutting path, but only partially compensated in concave sections. This allows a high processing speed to be achieved with high contour accuracy.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Konturfehlern, die durch einen Strahlnachlauf beim Schneiden eines Werkstücks mit einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl auftreten können, insbesondere beim Wasserstrahlschneiden.The present invention relates to a method for reducing contour errors that can occur as a result of jet lag when cutting a workpiece with a liquid or gas jet, in particular in water jet cutting.
Das Wasserstrahlschneiden ist ein sehr vielseitig einsetzbares Trennverfahren. Mit dem reinen Hochdruckwasserstrahl werden weiche Materialien schonend geschnitten. Anwendungen sind im Automobilbau bspw. das Schneiden von Dachhimmeln, Verkleidungen oder Gummidichtungen. Außerhalb der Autoindustrie werden Lebensmittel oder Windeln mit dem Reinwasserstrahl getrennt. Durch das Hinzufügen von Abrasivmitteln wird das Schneiden von harten Materialien möglich. Typische Materialien sind Stahl, Nichteisenmetalle, Keramik, Verbundwerkstoffe oder Stein. Der Schnitt durch den Abrasivwasserstrahl erfolgt sehr schonend. Es entstehen keine hohen Temperaturen und deshalb auch keine temperaturbedingten Gefügeveränderungen. Die mechanische Belastung ist sehr gering. Daher können auch sehr filigrane Formen ohne ein Verbiegen erzeugt werden. Bei spröden Materialien ist die Neigung zur Rissentstehung gegenüber anderen Verfahren wie dem Fräsen reduziert. Der häufigste Anwendungsfall für das Wasserstrahlschneiden ist die Herstellung von Bauteilen aus Blechen oder Platten. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wird durch die Schnittgeschwindigkeit bestimmt. Daher ist das oberste Ziel, für eine vorgegebene Qualitätsstufe eine möglichst geringe Bearbeitungszeit zu erzielen.Waterjet cutting is a very versatile cutting process. Soft materials are gently cut with the pure high-pressure water jet. Applications in automotive engineering are, for example, cutting headliners, panels or rubber seals. Outside the automotive industry, food or diapers are separated with the pure water jet. The addition of abrasives makes it possible to cut hard materials. Typical materials are steel, non-ferrous metals, ceramics, composites or stone. The cut by the abrasive water jet is very gentle. There are no high temperatures and therefore no temperature-related structural changes. The mechanical stress is very low. Therefore, even very filigree shapes can be produced without bending. With brittle materials, the tendency to develop cracks is reduced compared to other methods such as milling. The most common application for waterjet cutting is the production of components from sheet metal or plates. The efficiency of the process is determined by the cutting speed. Therefore, the ultimate goal is to achieve the shortest possible processing time for a given quality level.
Beim Schneiden eines Werkstücks 1 mit einem Wasserstrahl wird der aus der Düse 3 austretende Wasserstrahl 2 entgegen der Bewegungsrichtung 4 abgelenkt, wie dies in
Neben dem Strahlnachlauf gibt es noch einen weiteren Effekt. Der Radius des Wasserstrahls ändert sich zwischen Strahleintrittspunkt und Strahlaustrittspunkt am Werkstück, es liegt eine Strahlkonizität vor. Der Radius des Strahlaustrittspunkts kann größer oder kleiner sein als der Radius des Strahleintrittspunktes. Ein größerer Radius wird über ein Auffächern des Strahls im Material (ähnlich wie in Luft) erklärt. Ein kleinerer Radius entsteht über Strahlreflexionen innerhalb der Schnittfuge, die zu einer Strahlfokussierung führen. Welcher diese beiden Fälle eintritt und wie stark der Effekt ausfällt, hängt vom zu schneidenden Material und den Prozessparametern des Wasserstrahls ab. Grundsätzlich ist der Fehlereinfluss durch den Strahlnachlauf deutlich größer als durch den Effekt der Radiusänderung.In addition to the beam lag, there is another effect. The radius of the water jet changes between the jet entry point and jet exit point on the workpiece, there is a jet conicity. The radius of the beam exit point can be larger or smaller than the radius of the beam entry point. A larger radius is explained by a fanning out of the jet in the material (similar to that in air). A smaller radius is created via beam reflections within the kerf, leading to beam focusing. Which of these two cases occurs and how strong the effect is depends on the material to be cut and the process parameters of the water jet. In principle, the influence of the error caused by the beam lag is significantly greater than that caused by the effect of the radius change.
Einfache Wasserstrahlmaschinen besitzen nur drei Maschinenachsen zur Positionierung des Wasserstrahls. Diese Achsen bewegen die Düse in X-, Y- und Z-Richtung und erzeugen so die gewünschte Schnittfuge. Die Z-Achse wird in der Regel vor der Bearbeitung zur Einstellung des Düsenabstandes genutzt, die eigentliche Schnittbewegung erfolgt dann über die X- und Y-Achsen. Bei diesen Maschinen ist die Düse in Z-Richtung orientiert, zeigt also bei der Bearbeitung normal auf das Werkstück. Eine Beeinflussung des Strahlnachlaufs ist damit nicht möglich.Simple water jet machines only have three machine axes for positioning the water jet. These axes move the nozzle in the X, Y and Z directions and thus create the desired kerf. The Z-axis is usually used before machining to set the nozzle spacing, the actual cutting movement then takes place via the X and Y axes. With these machines, the nozzle is oriented in the Z direction, i.e. it points normally to the workpiece during processing. It is therefore not possible to influence the beam wake.
Komplexere Wasserstrahlmaschinen besitzen noch weitere Maschinenachsen zur Orientierung der Düse. Bei seriellen Kinematiken sind zu diesem Zweck zwei zusätzliche Achsen verbaut, bei Parallelkinematiken sind es drei Achsen. Damit kann die Orientierung der Düse und damit der Strahlachse innerhalb der Grenzen der Maschinenkinematik frei eingestellt werden. Hierdurch werden auch schräge Schnitte (bspw. Kegel) möglich.More complex water jet machines have additional machine axes for orienting the nozzle. With serial kinematics, two additional axes are installed for this purpose, with parallel kinematics there are three axes. This allows the orientation of the nozzle and thus the jet axis to be freely adjusted within the limits of the machine kinematics. This also makes oblique cuts (e.g. cones) possible.
Die Einstellbarkeit der Orientierung der Düse kann genutzt werden, um die Effekte des Strahlnachlaufs und der Strahlkonizität auszugleichen und so eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Der Strahlnachlauf wird dabei durch eine geeignete Orientierung der Düse bzw. der Strahlachse in Bewegungs- bzw. Vorschubrichtung kompensiert, die Radiusänderung durch eine Orientierung normal zur Bewegungsrichtung, wie dies beispielhaft in
In dieser Figur ist im linken Teil beispielhaft eine in Vorschubrichtung 4 geneigte Düse 3 dargestellt. Die Neigung bzw. Orientierung der Düse und damit der Strahlachse des Wasserstrahls 2 ist dabei so eingestellt, dass der Strahlnachlauf beim Schneiden des Werkstücks 1 kompensiert wird, der Strahleintrittsort 8 also über dem Strahlaustrittort 9 liegt, wie dies in der
Das Ziel ist es, vor allem den Strahlnachlauf möglichst zu minimieren, da dieser für den Großteil des Formfehlers an der unteren Bauteilkante verantwortlich ist. Der Strahlnachlauf ist proportional zur Bearbeitungs- bzw. Vorschubgeschwindigkeit. Besteht keine Möglichkeit zur Düsenorientierung, muss eine den Genauigkeitsvorgaben entsprechende niedrige Bearbeitungsgeschwindigkeit gewählt werden. Mit der Möglichkeit der Einstellung der Strahlorientierung können also deutlich höhere Geschwindigkeiten erreicht werden. Der Prozess wird hierdurch wirtschaftlicher.The goal is to minimize the jet lag as much as possible, since this is responsible for the majority of the form error at the lower edge of the component. The beam lag is proportional to the processing or feed rate. If there is no possibility of nozzle orientation, a low processing speed corresponding to the accuracy specifications must be selected. With the possibility of adjusting the beam orientation, significantly higher speeds can be achieved. This makes the process more economical.
Zur Kompensation des Strahlnachlaufs wird durch eine geeignete Düsenorientierung in die Bewegungsrichtung der Austrittspunkt des Strahls aus dem Werkstück möglichst exakt unter den Eintrittspunkt des Strahls in das Werkstück gelegt. In der schematischen Darstellung der
Der Winkel α kann beispielsweise über Versuchsreihen mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten, ggf. in Kombination mit einem Strahlmodell, bestimmt werden. Das Material und die Strahlparameter werden dabei nicht verändert. Bei Nutzung eines geeigneten Strahlmodells wird dann für jede Kombination von Bearbeitungsgeschwindigkeit und Materialdicke der Strahlnachlauf sowie bei Bedarf auch der Strahlradius bei Eintritt und Austritt aus dem Werkstück erhalten. Hieraus kann der Kompensationswinkel α abgeleitet werden.The angle α can be determined, for example, via a series of tests with different feed rates, possibly in combination with a beam model. The material and the blasting parameters are not changed. When using a suitable jet model, the jet trail and, if necessary, the jet radius at entry and exit from the workpiece are then obtained for each combination of processing speed and material thickness. The compensation angle α can be derived from this.
Die
Die
Die
Durch die Kompensation des Strahlnachlaufs werden höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich, da der Strahlnachlauf den größten Teil des Fertigungsfehlers auf der Unterseite des Werkstücks ausmacht. Außerdem verhält sich der Wasserstrahl bei vollständiger Eliminierung des Strahlnachlaufs ähnlich wie ein starres Werkzeug, bspw. ein Fräser. Daher können einfache CAM-Algorithmen aus dem Fräsen weiterverwendet werden, lediglich die Werkzeugorientierung wird gegenüber dem Fräsen verändert.Compensating for beam lag enables higher cutting speeds, since the beam lag accounts for most of the manufacturing error on the underside of the workpiece. In addition, when jet lag is completely eliminated, the water jet behaves in a similar way to a rigid tool, e.g. a milling cutter. Therefore, simple CAM algorithms from milling can continue to be used, only the tool orientation is changed compared to milling.
Bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten entsteht ein großer Strahlnachlauf, der durch eine entsprechend starke Kompensation ausgeglichen werden muss. Diese starke Kompensation führt zu beträchtlichen Bewegungen der Rotationsachsen der Maschine, die für die Orientierung der Düse verantwortlich sind. Dabei können die dynamischen Limitierungen der Rotationsachsen (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck) überschritten werden. Die Folge ist eine Reduzierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit durch die Steuerung der Maschine, die im CAM-System nicht berücksichtigt wurde. Erfolgt diese Reduzierung nicht, können die Rotationsachsen der programmierten Bewegung nicht folgen. In beiden Fällen befindet sich der Strahlaustrittspunkt dann nicht am berechneten Ort, da entweder die Kompensation zu stark ist oder die Maschinenachsen aufgrund ihrer Trägheit nicht folgen können. Es kommt zu Konturverletzungen.At high processing speeds, a large beam lag occurs, which must be compensated for by a correspondingly strong compensation. This strong compensation leads to considerable movements of the rotation axes of the machine, which are responsible for the orientation of the nozzle. The dynamic limitations of the rotation axes (speed, acceleration, jerk) can be exceeded. The result is a reduction in processing speed due to the machine control, which was not taken into account in the CAM system. If this reduction does not take place, the rotary axes cannot follow the programmed movement. In both cases, the beam exit point is not at the calculated location because either the compensation is too strong or the machine axes cannot follow due to their inertia. Contour injuries occur.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung von Konturfehlern beim Schneiden eines Werkstück mit einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl, insbesondere einem Wasserstrahl, anzugeben, das eine geringere Belastung der Achsen der eingesetzten Strahlmaschine verursacht und eine hohe Konturgenauigkeit ermöglicht.The object of the present invention is to specify a method for reducing contour errors when cutting a workpiece with a liquid or gas jet, in particular a water jet, which causes less stress on the axes of the blasting machine used and enables high contour accuracy.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the method according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst ein Schnittpfad, der beim Schneiden des Werkstücks mit dem Schneidestrahl in einer Vorschubrichtung durchlaufen wird, sowie für die Bestimmung des Strahlnachlaufs erforderliche Parameter, insbesondere die Orientierung der Strahlachse oder Düse und die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidestrahls entlang des Schnittpfades als Daten bereitgestellt. Vorzugsweise werden diese Daten in herkömmlicher Weise durch ein CAM-System (CAM: computer aided manufacturing) generiert und bereitgestellt. Die Daten können dabei in einem maschinenunabhängigen Format vorliegen, wie bspw. CLDATA oder NCI. Diese Daten werden dann beim vorgeschlagenen Verfahren in folgender Weise weiterverarbeitet. Es werden konvexe und konkave Abschnitte des Schnittpfades sowie der Strahlnachlauf bestimmt. Die Begriffe konvex und konkav beziehen sich dabei auf das geschnittene Werkstück. Die konvexen Abschnitte stellen damit also konvex verlaufende Schnittflächen des geschnittenen Werkstücks, die konkaven Abschnitte konkav verlaufende Schnittflächen des geschnittenen Werkstück dar. Der Strahlnachlauf wird auf Basis der Vorschubgeschwindigkeit, der Schnitttiefe sowie des Materials bestimmt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dies kann auf Basis eines Modells oder auch auf Basis experimenteller Voruntersuchungen erfolgen. Die in den bereitgestellten Daten enthaltene Orientierung der Strahlachse (bzw. Düse) wird dann in den konvexen Abschnitten derart angepasst, dass Strahleintritts- und Strahlaustrittsort am Werkstück beim Schneiden des Werkstücks übereinander liegen. Im Unterschied dazu wird die Orientierung der Strahlachse in den konkaven Abschnitten derart angepasst, dass der Strahlaustrittsort beim Schneiden des Werkstücks zwar auf dem Schnittpfad, jedoch nicht unter dem Strahleintrittsort, sondern bzgl. der Vorschubrichtung hinter dem Strahleintrittsort liegt. Durch diese Datenverarbeitung werden entsprechend angepasste Daten erhalten. Das Werkstück wird dann unter Verwendung dieser angepassten Daten, ggf. nach weiterer Verarbeitung dieser Daten, mit dem Flüssigkeits- oder Gasstrahl als Schneidestrahl geschnitten. Bei dem Flüssigkeits- oder Gasstrahl handelt es sich vorzugsweise um einen Wasserstrahl oder um einen Abrasivwasserstrahl, der zusätzliche abrasive Elemente enthält. Es lassen sich jedoch auch andere Flüssigkeitsstrahlen oder Gasstrahlen zum Schneiden einsetzen, bspw. auch ein ionisierter Gasstrahl, also ein Plasmastrahl.In the proposed method, first a cutting path, which is traversed in a feed direction when cutting the workpiece with the cutting beam, and parameters required for determining the beam lag, in particular the orientation of the beam axis or nozzle and the feed rate of the cutting beam along the cutting path are provided as data. This data is preferably generated and provided in a conventional manner by a CAM system (CAM: computer-aided manufacturing). The data can be in a machine-independent format, such as CLDATA or NCI. This data is then further processed in the proposed method in the following way. Convex and concave sections of the cutting path as well as the ray trail are determined. The terms convex and concave refer to the cut workpiece. The convex sections thus represent convex cutting surfaces of the cut workpiece, the concave sections concave cutting surfaces of the cut workpiece. The beam lag is determined on the basis of the feed rate, the cutting depth and the material, as is known from the prior art. This can be done on the basis of a model or also on the basis of experimental preliminary investigations. The orientation of the jet axis (or nozzle) contained in the data provided is then adjusted in the convex sections in such a way that the jet entry point and jet exit point on the workpiece lie one above the other when the workpiece is being cut. In contrast, the orientation of the beam axis in the concave sections is adjusted in such a way that the beam exit point when cutting the workpiece is on the cutting path, but not below the beam entry point, but behind the beam entry point with respect to the feed direction. This data processing results in correspondingly adapted data. The workpiece is then cut with the liquid or gas jet as a cutting jet using this adjusted data, possibly after further processing of this data. The liquid or gas jet is preferably a water jet or an abrasive water jet that contains additional abrasive elements. However, other liquid jets or gas jets can also be used for cutting, for example an ionized gas jet, ie a plasma jet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit in konkaven Abschnitten des Schnittpfades die starre Kopplung zwischen Strahleintritt und Strahlaustritt aufgehoben, die bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu hohen dynamischen Anforderungen an die Strahlmaschine führt. Es wurde dabei erkannt, dass eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs in den konkaven Abschnitten gar nicht erforderlich ist, um eine hohe Schnittqualität zu erreichen. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird daher eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs lediglich in konvexen Abschnitten durchgeführt, in konkaven Abschnitten wird die Orientierung der Strahlachse bzw. Düse lediglich so eingestellt, dass der Strahlaustrittsort in der Schnittfuge liegt. Dies entspricht lediglich einer Teilkompensation des Strahlnachlaufs. Dabei wird der Strahlaustrittsort vorzugsweise an eine Stelle der Schnittfuge gelegt, die ausgehend von einem bei senkrechter Orientierung der Strahlachse vorliegenden Strahlaustrittort auf kürzestem Weg erreichbar ist. In dem evtl. zwischen den konvexen und/oder konkaven Abschnitten vorliegenden geradlinigen Bereichen erfolgt keine Kompensation des Nachlaufs. Da der Strahlnachlauf in diesen geradlinigen Abschnitten der Bearbeitungsrichtung entgegen gerichtet ist, liegt bei einem Schnitt entlang des geradlinigen Abschnittes der Strahlaustrittspunkt auch automatisch auf dieser Strecke und muss nicht korrigiert werden. Durch diese Wahl der Orientierung der Strahlachse wird eine geringere Belastung der Achsen der Strahlmaschine bei hoher Schnittqualität erreicht, da nur in den konkaven Bereichen eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs mit den damit verbundenen hohen Achsenbelastungen erforderlich ist.In the proposed method, the rigid coupling between the beam entrance and beam exit is eliminated in concave sections of the cutting path, which leads to high dynamic demands on the blasting machine at high processing speeds. In this context, it was recognized that complete compensation of the beam lag in the concave sections is not necessary at all in order to achieve a high cutting quality. In the proposed method, complete compensation of the jet lag is therefore only carried out in convex sections; in concave sections, the orientation of the jet axis or nozzle is only adjusted such that the jet exit point lies in the kerf. This corresponds to only a partial compensation of the beam lag. In this case, the beam exit location is preferably placed at a point of the kerf that can be reached by the shortest path starting from a beam exit location that is present when the beam axis is oriented vertically. In the straight-line areas that may be present between the convex and/or concave sections, there is no compensation for the overrun. Since the beam trailing in these straight sections is directed in the opposite direction to the processing direction, when cutting along the straight section, the beam exit point is also automatically on this section and does not have to be corrected. This selection of the orientation of the beam axis results in a lower load on the axes of the blasting machine with a high cut quality, since complete compensation of the beam lag with the associated high axis loads is only required in the concave areas.
Bei bestimmten Geometrien kann es durch den Wechsel zwischen den unterschiedlichen Kompensationen (vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs gegenüber Teilkompensation) zwischen den konvexen und konkaven Abschnitten dazu kommen, dass der Strahlaustrittspunkt an diesen Stellen springt. Um dies zu vermeiden, werden vorzugsweise die gemäß der vorangehenden Beschreibung erhaltenen Orientierungen der Strahlachse beim Wechsel zwischen den konkaven und konvexen Abschnitten bei der Datenverarbeitung zusätzlich überprüft. Dabei wird für jeden Punkt des Schnittpfades im Bereich dieser Wechsel eine resultierende Geschwindigkeit des Strahlaustrittsortes berechnet und die Orientierung der Strahlachse jeweils bei Bedarf korrigiert, um eine Geschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Geschwindigkeitsintervalls sicherzustellen. Dieses Geschwindigkeitsintervall wird anhand der durch die Strahlmaschine vorgegebenen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmöglichkeiten gewählt. So werden vorzugsweise eine positive Minimalgeschwindigkeit und eine positive Maximalgeschwindigkeit vorgegeben. Unter den Punkten des Schnittpfades, an denen die Geschwindigkeit jeweils berechnet wird, werden Punkte verstanden, die entsprechend der gewünschten räumlichen Auflösung entlang des Schnittpfades gewählt werden. Diese können konstanten Abstand haben oder auch im Abstand variieren. In gleicher Weise kann optional auch die Beschleunigung entsprechend begrenzt und/oder ein Ruck des Strahlaustrittspunktes durch entsprechende Vorgaben vermieden werden.With certain geometries, the change between the different compensations (complete compensation of the beam lag versus partial compensation) between the convex and concave sections can result in the beam exit point jumping at these points. In order to avoid this, the orientations of the beam axis obtained according to the above description are preferably additionally checked when changing between the concave and convex sections during data processing. A resulting speed of the beam exit location is calculated for each point of the cutting path in the area of this change, and the orientation of the beam axis is corrected if necessary in order to ensure a speed within a predetermined speed interval. This speed interval is selected on the basis of the speed and acceleration options specified by the blasting machine. A positive minimum speed and a positive maximum speed are thus preferably specified. The points of the cutting path at which the speed is calculated in each case are understood to mean points that are selected according to the desired spatial resolution along the cutting path. These can have a constant spacing or vary in spacing. In the same way, the acceleration can optionally also be correspondingly limited and/or a jerk of the beam exit point can be avoided by appropriate specifications.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei der Datenverarbeitung zum Erhalt der angepassten Daten für jeden Punkt des Schnittpfades auch geprüft, ob durch die gewählte Orientierung der Strahlachse eine Konturverletzung an einer Strahleintrittsseite des Werkstücks erzeugt wird. Zu einer derartigen Konturverletzung kann es vor allem bei einer starken Neigung der Strahlachse gegenüber der senkrechten Orientierung zur Werkstückoberfläche kommen. Die Erkennung einer Konturverletzung erfordert die Kenntnis der Konizität des Strahls, die auf Basis eines geometrischen Strahlmodells ermittelt werden kann. Bei Erkennung einer Konturverletzung wird der Strahleintrittsort unter Beibehaltung des Strahlaustrittsortes in der Schnittfuge korrigiert, um die Konturverletzung zu minimieren. Alternativ oder zusätzlich kann in den konkaven Abschnitten auch die Orientierung der Strahlachse unter Beibehaltung des Strahlaustrittsortes in der Schnittfuge korrigiert werden.In a further advantageous embodiment, the data processing to obtain the specified matched data for each point of the cutting path is also checked whether the selected orientation of the beam axis causes a contour violation on a beam entry side of the workpiece. This type of contour damage can occur above all if the beam axis is sharply inclined in relation to the perpendicular orientation to the workpiece surface. The detection of a contour violation requires knowledge of the conicity of the beam, which can be determined on the basis of a geometric beam model. If a contour violation is detected, the beam entry point is corrected while maintaining the beam exit point in the kerf in order to minimize the contour violation. Alternatively or additionally, the orientation of the beam axis can also be corrected in the concave sections while maintaining the beam exit location in the kerf.
Die Bereitstellung der Daten mit dem Schnittpfad erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise zusammen mit den für die Bestimmung des Strahlnachlaufs erforderlichen Parametern durch ein CAM-System. Die durch dieses CAM-System bereitgestellten Daten werden dann in einem Datenverarbeitungsmodul gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren verarbeitet und vorzugsweise wiederum einem Postprozessor zugeführt, der dann aus den angepassten Daten ein Steuerprogramm für eine zum Schneiden eingesetzte Strahlmaschine generiert, mit dem die Maschine dann zum Schneiden Werkstücks gesteuert wird. Die von diesem Datenverarbeitungsmodul gelieferten angepassten Daten weisen vorzugsweise das gleiche Format auf, wie die vom CAM-System bereitgestellten Daten.In the proposed method, the data with the cutting path is preferably provided together with the parameters required for determining the beam lag by a CAM system. The data provided by this CAM system is then processed in a data processing module according to the proposed method and preferably in turn fed to a postprocessor, which then uses the adapted data to generate a control program for a blasting machine used for cutting, with which the machine is then controlled for cutting the workpiece becomes. The adapted data supplied by this data processing module preferably have the same format as the data provided by the CAM system.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich sehr vorteilhaft beim Wasserstrahlschneiden einsetzen, ist jedoch auch für andere Strahlschneideverfahren, bei denen ein Flüssigkeits- oder Gasstrahl eingesetzt wird, geeignet. Beispielhafte Einsatzgebiete wurden bereits in der Beschreibungseinleitung angeführt.The proposed method can be used very advantageously in water jet cutting, but is also suitable for other jet cutting methods in which a liquid or gas jet is used. Exemplary areas of use have already been mentioned in the introduction to the description.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung des Strahlnachlaufs beim Wasserstrahlschneiden; -
2 eine schematische Darstellung der Kompensation des Strahlnachlaufs und der Konizität gemäß dem Stand der Technik; -
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Strahlgeometrie und eines Korrekturwinkels für eine vollständige Korrektur des Strahlnachlaufs; -
4 eine schematische Darstellung des Strahlnachlaufs bei konkaver Geometrie und der beim vorgeschlagenen Verfahren durchgeführten Teilkompensation in konkaven Abschnitten; -
5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Verletzung der Oberkante des Werkstücks bei stark geneigter Orientierung der Strahlachse; und -
6 ein Beispiel für die Einbindung der Datenverarbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in den Datenfluss bestehender Systeme.
-
1 a schematic representation of the jet trail during water jet cutting; -
2 a schematic representation of the compensation of the beam lag and the taper according to the prior art; -
3 a schematic representation of an exemplary beam geometry and a correction angle for a complete correction of the beam lag; -
4 a schematic representation of the beam lag with a concave geometry and the partial compensation carried out in the proposed method in concave sections; -
5 a schematic representation to illustrate an injury to the upper edge of the workpiece with a strongly inclined orientation of the beam axis; and -
6 an example of the integration of data processing according to the proposed method in the data flow of existing systems.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die
Dies wird anhand der
Die Orientierung der Strahlachse wird daher beim vorliegenden Verfahren in konkaven Abschnitten des Schnittpfades nur so eingestellt, dass der Strahlaustrittspunkt in der Schnittfuge bzw. auf dem Schnittpfad liegt. Die starre Kopplung zwischen Strahlaustrittspunkt und Strahleintrittspunkt wird aufgehoben, ein gewisser Strahlnachlauf ausdrücklich erlaubt. Es erfolgt also nur eine Teilkompensation.In the present method, the orientation of the beam axis is therefore only set in concave sections of the cutting path in such a way that the beam exit point lies in the cutting kerf or on the cutting path. The rigid coupling between Beam exit point and beam entry point are eliminated, a certain beam lag is expressly allowed. So there is only partial compensation.
Vorzugsweise wird der Strahlaustrittspunkt auf dem kürzesten Weg zur Schnittfuge gezogen. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch die geringste Kompensation erforderlich wird. Allerdings ist es in der Praxis aufgrund äußerer Randbedingungen oft notwendig, den Strahlaustrittspunkt in den konkaven Abschnitten auf einem beliebigen Punkt der Schnittfuge zwischen dem Punkt mit der geringsten notwendigen Kompensation und dem Strahleintrittspunkt platzieren zu können. Der rechte Teil der
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Teilkompensation nur in den konkaven Abschnitten konnte experimentell validiert werden. Hierzu wurde ein direkter Vergleich der beschriebenen Teilkompensation und der vollständigen Kompensation des Nachlaufs nach dem Stand der Technik durchgeführt. Dabei wurde ein zahnradartiges Bauteil mit einer sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit gefertigt, um die Grenzen der Kompensationsmethoden auszutesten. Bei der Teilkompensation wurde der Strahlaustrittspunkt für den gesamten Schnittpfad jeweils auf dem kürzesten Weg in die Schnittfuge gezogen. Die beiden Kompensationsmethoden erzeugten bei diesem Test völlig unterschiedliche Schadensbilder. Die Kompensationsmethode nach dem Stand der Technik erzeugte bei konkaven Bauteilabschnitten eine deutliche Schädigung, schnitt aber bei konvexen Abschnitten sehr gut ab. Bei der Teilkompensation wurden die konkaven Abschnitte besonders gut gefertigt, während die konvexen Abschnitte stark verrundet wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem in den konvexen Abschnitten der Kontur eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs (gemäß dem Stand der Technik) und in den konkaven Abschnitten die oben beschriebene Teilkompensation erfolgt, vereint die Stärken aus beiden Methoden und eliminiert die Schwächen. Damit konnte das gesamte Bauteil ohne deutliche Schädigungen gefertigt werden. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit, die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu reduzieren, um die Schädigungen in den jeweiligen Bereichen zu verringern. Es kann also auch in der Praxis eine deutlich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit gewählt werden.The advantages of the partial compensation according to the invention only in the concave sections could be validated experimentally. For this purpose, a direct comparison of the partial compensation described and the complete compensation of the lag according to the prior art was carried out. A gear-like component was manufactured with a very high processing speed in order to test the limits of the compensation methods. With partial compensation, the beam exit point for the entire cutting path was drawn into the kerf along the shortest path. In this test, the two compensation methods produced completely different damage patterns. The prior art compensation method produced significant damage on concave component sections but performed very well on convex sections. In the case of partial compensation, the concave sections were particularly well made, while the convex sections were greatly rounded. The method according to the invention, in which the beam lag is completely compensated (according to the prior art) in the convex sections of the contour and the partial compensation described above takes place in the concave sections, combines the strengths of both methods and eliminates the weaknesses. This meant that the entire component could be manufactured without significant damage. In particular, there is no need to reduce the processing speed in order to reduce damage in the respective areas. A significantly higher processing speed can therefore also be selected in practice.
Im Folgenden werden unterschiedliche, zum Teil optionale Schritte der Datenverarbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels mit einem Wasserstrahl erläutert, die mit einem Softwareprogramm durchführbar sind.Different, partly optional steps of data processing according to the proposed method are explained below using an exemplary embodiment with a water jet, which can be carried out with a software program.
Schritt 1: Unterteilung in konvexe und konkave BereicheStep 1: Division into convex and concave areas
Die Software erhält den Schnittpfad zusammen mit der programmierten Orientierung und den Prozessparametern (Vorschubgeschwindigkeit, Druck etc.) aus einem CAM-System. Die Software liest aus dem NC-Programm den Schnittpfad ein und unterteilt ihn in konvexe und konkave Bereiche. Dies geschieht durch eine Geometrieanalyse.The software receives the cutting path together with the programmed orientation and the process parameters (feed rate, pressure, etc.) from a CAM system. The software reads the cutting path from the NC program and divides it into convex and concave areas. This is done through a geometry analysis.
Schritt 2: Berechnung der StrahlorientierungStep 2: Calculation of the beam orientation
Nun wird für die konkaven Bereiche die Strahlorientierung nach der neuen Kompensationsmethode (Teilkompensation) angepasst, in den konvexen Bereichen durch vollständige Kompensation nach dem Stand der Technik. Bei der neuen Kompensationsmethode wird der Strahlaustrittspunkt in diesem Beispiel auf dem kürzesten Weg in die Schnittfuge gezogen.The beam orientation is now adapted for the concave areas according to the new compensation method (partial compensation), in the convex areas by full compensation according to the prior art. With the new compensation method, the beam exit point in this example is drawn into the kerf along the shortest possible route.
Schritt 3: Anpassung der Position des StrahlaustrittspunktesStep 3: Adjusting the position of the beam exit point
Würde man ein durch die ersten beiden Schritte erzeugtes NC-Programm auf der Wasserstrahlmaschine ausführen, kann dies zu einem unbefriedigenden Ergebnis führen. Durch den Wechsel zwischen den zwei Kompensationsmethoden „springt“ möglicherweise der Strahlaustrittspunkt an diesen Stellen. Beim Wechsel von konkav zu konvex würde dann der Strahlaustrittspunkt sehr stark beschleunigen, beim umgekehrten Wechsel sehr stark abbremsen oder sogar zurücklaufen. Auch innerhalb des konkaven Bereiches könnte es aufgrund der Berechnungsmethode zu einem plötzlichen Zurücklaufen des Strahlaustrittspunktes kommen. Daher wird vorzugsweise der gesamte Schnittpfad durchlaufen und für jeden Punkt die resultierende Geschwindigkeit des Strahlaustrittspunktes berechnet. Es wird nun durch eine Korrektur der Strahlaustrittspunkte sichergestellt, dass sich die Geschwindigkeit in einem vorher festgelegten Intervall befindet. Nach diesem Korrekturschritt bewegt sich der Strahlaustrittspunkt immer nach vorne, unterschreitet nie die vorher festgelegte Minimalgeschwindigkeit und überschreitet nie die Maximalgeschwindigkeit. Es besteht auch die Möglichkeit, neben der Geschwindigkeit auch die Beschleunigung und den Ruck des Strahlaustrittspunktes in analoger Weise zu kontrollieren.If you were to run an NC program generated by the first two steps on the water jet machine, this can lead to an unsatisfactory result. By switching between the two compensation methods, the beam exit point may "jump" at these points. When changing from concave to convex, the beam exit point would then accelerate very strongly, and when changing in the opposite direction, decelerate very strongly or even reverse. Due to the calculation method, the beam exit point could also suddenly recede within the concave area. Therefore, the entire cutting path is preferably run through and the resulting speed of the beam exit point is calculated for each point. Correcting the jet exit points ensures that the speed is within a previously defined interval. After this correction step, the beam exit point always moves forward, never falls below the previously defined minimum speed and never exceeds the maximum speed. In addition to the speed, it is also possible to control the acceleration and the jerk of the beam exit point in an analogous manner.
Schritt 4: Korrektur von Bauteilverletzungen an der WerkstückoberseiteStep 4: Correction of component damage on the top of the workpiece
Wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, besitzt der Strahl eine Strahlkonizität. In der Luft weitet sich der Strahl immer auf, während er sich im Bauteil auch einschnüren kann. Wird der Wasserstrahl 2 während des Schnitts nun stark zur Seite geneigt, um den Strahlaustrittspunkt in die Schnittfuge zu ziehen, kann es an der Oberseite des Werkstücks 1 zu Konturverletzungen 13 kommen. Diese treten auf, wenn der Neigungswinkel den Aufweitungswinkel des Strahls 2 übersteigt, wie dies in
Ein Lösungsansatz sieht vor, die Position des programmierten Bahnpunktes (Strahleintrittspunkt) dann neu zu berechnen. Dabei wird der Bahnpunkt vom Werkstück wegbewegt, um die Konturverletzung zu vermeiden.One solution is to then recalculate the position of the programmed path point (beam entry point). The path point is moved away from the workpiece in order to avoid damaging the contour.
Bei einem zweiten Lösungsansatz wird in den konkaven Bereichen der Strahlaustrittspunkt nicht auf dem kürzesten Weg in die Schnittfuge bewegt, sondern auf einen anderen Punkt in der Schnittfuge korrigiert, der sich näher am Strahleintrittspunkt befindet. Dies reduziert die Konturverletzungen an der Oberseite und auch die notwendigen Anpassungen der Dynamik des Strahlaustrittspunktes.In a second approach, the beam exit point in the concave areas is not moved into the kerf by the shortest route, but is corrected to another point in the kerf that is closer to the beam entry point. This reduces the contour damage at the top and also the necessary adjustments to the dynamics of the beam exit point.
Die Software kann hierzu vorzugsweise beide Möglichkeiten anbieten. So kann der Nutzer die für seinen Prozess günstigsten Parameter finden.The software can preferably offer both options for this. In this way, the user can find the most favorable parameters for his process.
Bei heutzutage eingesetzten Fertigungssystemen erfolgt die Berechnung des Werkzeugweges bzw. Schnittpfades innerhalb eines sogenannten CAM-Systems (CAM - computer aided manufacturing). Dieses gibt das Fertigungsprogramm in einem allgemeinen, technologie- und maschinenunabhängigen Format wie z.B. CLDATA oder NCI aus. Erst im Postprozessor werden die Programme in die NC-Sprache der jeweiligen Maschine übersetzt. Außerdem werden in diesem Schritt individuelle, für die jeweilige Maschine zugeschnittenen Informationen hinzugefügt. Dies kann Code zur Ansteuerung spezieller Geräte sein, bei Wasserstrahlmaschinen sind dies bspw. Pumpen, Ventile, Abrasivmitteldosierung. Bei dieser Softwarearchitektur werden die Informationen für die Strahlkompensation im CAM-System erstellt und mit Hilfe des maschinenunabhängigen Programms ausgegeben.In the manufacturing systems used today, the tool path or cutting path is calculated within a so-called CAM system (CAM—computer-aided manufacturing). This outputs the production program in a general, technology- and machine-independent format such as CLDATA or NCI. The programs are only translated into the NC language of the respective machine in the postprocessor. In this step, individual information tailored to the respective machine is also added. This can be code for controlling special devices, for water jet machines these are, for example, pumps, valves, abrasive dosing. With this software architecture, the information for the beam compensation is created in the CAM system and output using the machine-independent program.
Eine weitere aktuell verwendete Methode ist die Übergabe eines Werkzeugweges ohne Kompensationsinformationen an die Steuerung. An der Wasserstrahlmaschine gibt der Nutzer dann die Informationen ein, die für die Kompensationsberechnung benötigt werden. Dies sind die verwendeten Prozessparameter (Druck, Abrasivmittelbeladung etc.) und die Angabe, welches Material in welcher Dicke geschnitten werden soll. Bei dieser Methode fügt die Steuerung kurz vor oder während der Fertigung die Informationen zur Strahlkompensation hinzu. Dazu wird eine vorher angelegte Materialdatenbank genutzt.Another method currently used is to pass a toolpath to the controller without any compensation information. The user then enters the information required for the compensation calculation on the waterjet machine. These are the process parameters used (pressure, abrasive loading, etc.) and the specification of which material is to be cut and in what thickness. With this method, the controller adds the beam compensation information just before or during manufacture. A previously created material database is used for this purpose.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nach einem anderen, neuartigen Prinzip. Hier wird die traditionelle Softwarekette CAD-System -> CAM-System -> Postprozessor -> Maschinensteuerung zwischen CAM-System und Postprozessor aufgebrochen und eine weitere Softwareschicht hinzugefügt, wie dies in
Dies hat für den Anwender mehrere Vorteile. Zunächst ist die Schnittstelle zwischen CAM-System und Postprozessor über Formate wie CLDATA oder NCI gut definiert. Wenn das zur Datenverarbeitung gemäß dem vorliegenden Verfahren eingesetzte Softwaremodul bspw. ein Programm im CLDATA-Format einliest, modifiziert und schließlich wieder im CLDATA-Format ausgibt, ist eine Integration in schon bestehende Systeme problemlos möglich. Zukünftige Updates können besonders einfach durchgeführt werden. Die vorhandenen Softwaresysteme können weiter genutzt werden. Es sind also keine Schulungen für ein neues CAD- oder CAM-System notwendig.This has several advantages for the user. First of all, the interface between the CAM system and the postprocessor is well defined using formats such as CLDATA or NCI. If the software module used for data processing according to the present method reads in, modifies and finally outputs a program in CLDATA format, for example, an integration into already existing systems is possible without any problems. Future updates can be carried out particularly easily. The existing software systems can continue to be used. No training for a new CAD or CAM system is therefore necessary.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Werkstückworkpiece
- 22
- Wasserstrahlwater jet
- 33
- Düsejet
- 44
- Bewegungsrichtung/VorschubrichtungDirection of movement/feed direction
- 55
- Strahlnachlaufbeam lag
- 66
- unbearbeitetes Materialunprocessed material
- 77
- Schnittflächecut surface
- 88th
- Strahleintrittsortbeam entry point
- 99
- Strahlaustrittsortbeam exit location
- 1010
- schräge Schnittflächeoblique cut surface
- 1111
- senkrechte Schnittflächevertical cutting surface
- 1212
- Strahlaustrittsort nach (Teil-)KompensationBeam exit location after (partial) compensation
- 1313
- Konturverletzungcontour violation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2011/0287692 A1 [0012]US 2011/0287692 A1 [0012]
- US 9658613 B2 [0013]US 9658613 B2 [0013]
- US 6996452 B2 [0014]US 6996452 B2 [0014]
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