CN103717343B - 用于加工工件的方法以及加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于利用加工装置（10）加工工件（16）的方法，所述加工装置具有能够以限定的速度与工件表面（36）间隔开地运动的加工头（12），所述方法包括以下步骤：A.）在加工所述工件之前或期间至少局部地检测待加工的工件（16）的表面形貌；B.）根据以前检测到的所述工件（16）的表面形貌以及所述加工头（12）的对应于所述限定的速度的拖动距离确定所述加工头（12）与所述工件（16）的最小额定工作距离（42）；以及C.）在预给定所述加工头（12）与所述工件（16）的确定的最小额定工作距离（42）的情况下加工所述工件（16）。本发明还涉及一种用于这种方法的加工装置（10）。

Description

用于加工工件的方法以及加工装置
技术领域
本发明涉及一种用于利用加工装置加工工件的方法，所述加工装置具有能够以限定的速度与工件表面间隔开地运动的加工头，本发明还涉及一种这样的加工装置。
背景技术
为了加工工件，在当今的加工装置中大多连续地监控加工头与工件的工作距离并且将其调节到一个固定预给定的额定工作距离。为此，该加工头在加工过程期间沿着其至少一个运动轴朝着该工件运动或远离该工件地运动。
为了在工件上得到最优的加工结果，经常期望该加工头与工件的尽可能小的工作距离。特别是在热分离切割中或者在很多焊接应用中就是这种情况。此外，在这样的加工过程中经常部分地应用昂贵的工艺流体、例如惰性气体或反应性气体，它们的消耗随着加工头与待加工的工件的增加的工作距离而提高。
在实践中，待加工的工件经常具有不完全平坦的表面。因此在板材中可找到表面波动，该表面波动可以例如由板材的在先的制造过程或其在应用的加工装置的工件容纳部中的布置而引起。此外可以通过加工使得板材热变形。而且板材在工件容纳部中也会以其表面相对于加工头的运动轴歪斜地设置。
在工业量产中为了加工工件出于经济的原因加工头必须以高的速度运动到工件上方。在这一点上，在这样的应用中可能不容易以例如0.3mm的与工件的小的工作距离相对于工件运动加工头，此外，加工头也在高动态设计的系统中总是具有其实际位置与其额定位置的取决于相应的运动速度的偏差，也就是沿加工头的运动轴的所谓的拖动距离。鉴于工件变化的表面形貌，因此可以在加工头与工件的太小的确定的额定工作距离的情况下导致加工头与工件的碰撞。除了由此产生的不期望的过程中断之外，这也可以导致加工头(例如激光加工头的聚焦透镜)或工件的损坏。这对于加工结果以及方法的经济性不是太有利。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种开始提及的方法以及一种加工装置，它们克服了所述缺点以及特别是在加工头与工件的尽可能小的工作距离的情况下实现了工件的可靠且相对于过程干扰稳固的加工。
与方法有关的任务通过本发明的方法解决，而与加工装置有关的任务通过本发明的加工装置解决。
根据本发明，提出了一种用于利用加工装置加工工件的方法，所述加工装置具有能够以限定的速度与工件表面间隔开地运动的加工头，所述方法包括以下步骤：
A.)在加工所述工件之前或期间至少局部地检测待加工的工件的表面形貌；
B.)根据所述工件的以前检测到的表面形貌以及所述加工头的对应于所述限定的速度的拖动距离确定所述加工头与所述工件的最小额定工作距离；和
C.)在预给定所述加工头与所述工件的确定的最小额定工作距离的情况下加工或进一步加工所述工件。
与本发明的方法相关优点基本上在于，可以在加工头相对于工件的预给定的运动速度(加工速度)下以加工头与工件的针对工件的实际表面形貌设置的最小额定工作距离进行工件的加工。由此，加工头与工件的碰撞的危险可以同时总地来说被减小并且改善特别是在分离切割或焊接过程中相对于太大选择的工作距离的加工结果。同时可以在应用工艺流体的情况下减少工艺流体的源于不必要大的距离的(高的)消耗。在实践中加工头沿着其预给定的额定加工轨迹的实际位置滞后于加工头在额定加工轨迹上在控制侧分别预给定的额定位置。加工头的位置实际值与位置额定值的相应的差被称为拖动距离。拖动距离取决于加工头沿着其运动轴的运动的速度以及加工装置的所谓的速度加强KV。速度加强KV是用于沿着加工头的运动轴对加工头进行运动控制的调节回路的动作的决定性的(线性)特征值。该特征值在此说明了加工头的实际速度与拖动距离的比例并且因此是加工头在沿着平面中或在空间中曲线移动时用于加工装置的图像保真度的量度。当今加工装置的机电驱动系统对此通常具有在10与80·s-1之间的速度加强或者在高动态加工装置下部分地直至超过150·s-1。加工头的相应的拖动距离在当今的加工装置中对于在工件的加工中使用的加工头运动速度是已知的并且在加工过程中被连续地监控。
按照本发明可以在所述工件的加工之前或期间检测待加工的工件的表面形貌。在第一种情况下，这可以特别是通过确定工件表面限定的测量点(参考点)关于加工装置的通过加工头的主运动轴(X、Y、Z轴线)限定的工作坐标系统的位置实现。由此可以避免整个工件的表面形貌的耗费时间和运算的检测。
与此相对地，工件表面形貌在工件加工期间的检测具有时间优点，因为可以没有延迟地加工工件。
按照本发明，工件的表面形貌可以无接触地特别是通过光学或电容式的方式或者也可以触觉地检测。
为了在工件加工期间检测工件的表面形貌，根据本发明，基本上提供两种不同的方法，其中首先在预给定所述加工头与所述工件的暂时额定工作距离的情况下加工所述工件。在此，优选保守地、也就是大地确定暂时额定工作距离的大小，以便避免加工头与工件不必要的碰撞。这样的碰撞在实践中与加工过程开始时例如由于工艺流体的不必要的高消耗相比引起更不经济的运行。
根据由本发明建议的方法之一，在加工工件期间在表面检测区域中检测所述工件的表面形貌，所述表面检测区域在所述加工头的运动方向上沿着在控制侧预给定的额定加工轨迹至少部分地在相应的加工点之前设置在所述工件上。所述表面检测区域在此优选与所述加工头同步地沿着加工头的预给定的额定加工轨迹相对于工件运动。因此在位于工件的加工点或加工区域前方的表面部分中检测工件的表面形貌。在此应用的传感装置可以具有至少一个直接在加工装置的加工头上设置的优选电容性或光学工作的传感器或者该传感器借助于独立的组装件沿着额定加工轨迹运动。
根据另一方法，为了确定工件的表面形貌，检测用于将所述加工头与所述工件的相应的工作距离调节到所述预给定的暂时额定工作距离的控制信号或者加工头自身的距离调节运动。加工头的距离调节或距离调节运动根据所述工件沿着预给定的额定加工轨迹的相应的表面形貌实现。因为控制单元的用于控制加工头的距离调节运动的控制信号总归存在，所以可以将其容易地用于确定表面形貌。在加工过程期间通常在市场上的加工装置中也检测加工头沿着其加工轴的运动。为此经常应用调节传感器，用于时间分辨地确定加工头沿着其运动轴的相应位置。由接收的数据可以在距离调节运动中容易地求得由所述加工头走过的路段和加速度值。由所述数据可以在没有附加的传感器的情况下确定表面形貌。由此也可以在已经存在的加工装置中无问题地事后实现该方法。
优选对于加工头沿着其运动轴的相应运动速度在加工工件之前(通过实验)求得并且在控制装置中存储与速度有关的拖动距离。这可以例如作为特性曲线、作为用于多个相关的运动速度的组合特性曲线或者也以数学函数的形式实现。此外，按照本发明可以仅仅在加工工件时才根据加工头沿着其运动轴的运动确定拖动距离。
需注意的是，根据差值基于工件的可能不代表所有待加工的工件区域的表面区域确定预给定的最小加工距离，只要没有沿着加工头的整个额定加工轨迹检测工件的表面形貌并且至少区间地将其用于确定一个(相应的)最小额定加工距离。通过以下方式可以在此进一步减少加工头与工件的碰撞的与此相关地保留的剩余风险，即，所述最小的额定工作距离具有限定的安全边界。在此优选根据前面确定的表面形貌和/或所述加工头的前面确定的拖动距离确定所述安全边界的大小。
根据本发明的一种改进，附加地将预给定的最小额定工作距离用于调节所述加工装置的(另外的)运行参数。因此，可以特别是根据加工头与工件的预给定的最小额定工作距离调节或设定所应用的用于生成在焊接时采用的焊接电流或激光束的发电机的功率、激光束的聚焦位置和/或工艺流体的流速。总地来说，这对于加工过程的经济性以及首要决定性的加工结果具有优点。
所建议的方法同样适用于这样的加工过程，在所述加工过程中采用无接触工作的加工头，也就是特别是适用于热分离切割和焊接过程，在热分离切割和焊接过程时采用工艺流体、例如惰性气体(保护气体)、反应性气体或由上述气体组成的混合物。
用于加工工件的按照本发明的加工装置具有加工头，所述加工头以限定的速度与待加工的工件间隔开地运动。该加工装置具有用于检测工件的表面形貌的传感装置和控制单元，借助于该控制单元可控制或可调节所述加工头相对于所述工件的运动。在此给所述控制单元编程以实施前述的方法。
附图说明
随后根据两个在附图中描述的实施例进一步阐述本发明。不可以将示出的和描述的实施形式理解为封闭的列举，而是具有用于本发明的描述的示例性的特征。附图中的图极其示意地示出了按照本发明的对象并且不可以理解为按照比例的。
其中：
图1：具有加工头的激光加工装置的侧视图，该加工头为了加工工件能够以限定的距离相对于工件运动并且该加工头具有传感装置，所述传感装置具有距离传感器用于检测工件的表面形貌；
图2：与图1类似的具有加工头的激光加工装置的侧视图，该加工头为了检测待加工工件的表面形貌具有传感装置，所述传感装置具有光学传感器，所述光学传感器的表面检测区域沿加工头的运动方向至少部分地设置在工件上的相应的加工点之前，并且所述光学传感器与加工头一起沿着额定加工轨迹相对于工件同步运动；
图3：来自图2的关于加工头的运动轴的额定加工轨迹的俯视图，其中，该加工头具有偏离额定位置的实际位置；以及
图4：具有用于加工工件的按照本发明的方法的各个步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出了设计为激光加工装置的加工装置10，其具有加工头12，该加工头能够与设置在工件保持件14上的工件16(在此为金属薄板)间隔开地沿三个(主)运动轴X、Y、Z相对于工件16运动。
激光束源18用于产生被确定用于工件16的热分离切割的激光束20。激光束20可借助于加工头12引导到工件16上。一个在加工头12中设置的聚焦透镜22用于将激光束20集束在工件16上。在加工头12上设有喷嘴24，通过所述喷嘴可将工艺流体26(在此为惰性气体)朝工件16的方向引导。工艺流体26用于保护聚焦透镜22免受由于在工件16的加工中下落的并且在图1中未进一步描述的熔融物颗粒的损坏并且特别是在热熔切割时免于遭受飞溅的熔融物。
控制单元30用于控制/调节加工头12沿着预给定的额定加工轨迹28的运动。控制单元30与电容式工作的距离传感器32耦合，所述距离传感器设置在加工头12上。由此能够将加工头12的相应的工作距离调节到在控制侧预给定的额定工作距离上。控制单元30与距离传感器32一起形成传感装置34，借助于该传感装置可以检测工件16的表面形貌，如这进一步在以下将要详细描述的那样。控制单元30除此之外用于控制或调节加工装置10的另外的运行参数，特别是由喷嘴24导出的工艺流体26的相应流量和激光束源18的功率输出。
在图1中示出了在两个不同的时间点在加工工件16期间的加工头12。在图1中的左侧示出了在局部检测表面形貌(也就是工件16的几何形状和其表面36关于加工头12的(主)运动轴X、Y、Z的位置)期间的加工头12。对于该运行模式在控制侧预给定的暂时额定工作距离以38表示。
在图1中的右侧示出了在一个加工时间点的加工头12，在该时间点局部地、也就是在此例如在沿着加工头12的X运动轴的路段40上检测工件16的表面形貌。在确定用于工件16的该(另外的)加工的最小额定工作距离42之后将加工头12的工作距离调节到该最小额定工作距离42。
图2示出了加工装置10’的另一实施例，该加工装置与前面阐述的加工装置的不同之处基本上在于，该加工装置除了用于检测加工头12与工件16的相应的工作距离的距离传感器32之外附加地具有一个光学传感器44。该光学传感器44设置在加工头上并且能够相对于该加工头绕旋转轴线44’旋转。该光学传感器用于预见性地检测工件12关于加工头12的运动轴X、Y、Z的表面形貌。传感器44的工件侧的表面检测区域46可以通过传感器44相对于加工头12的相应(并且由控制单元30)控制的旋转沿着加工头的预给定的额定加工轨迹28相对于加工头12相应的运动方向定向。由此，表面检测区域46可至少部分地在相应的加工点48之前定位在工件16上。光学传感器44并且从而其表面检测区域46能够与加工头12一起沿着额定加工轨迹28相对于工件16同步运动。
在图3中在一个示例性的截面中示出了关于加工头的运动轴X、Z的额定加工轨迹28。加工头在额定加工轨迹28上的额定位置以50表示。加工头的真实位置(实际位置)52在加工工件期间具有一个与其在额定加工轨迹28上的额定位置速度相关的拖动距离54。加工头的拖动距离可以对于限定的速度——加工头以该速度在加工工件时沿着额定加工轨迹相对于工件运动——或者也对于加工头的多个为了加工工件可选出的运动速度保存在控制单元中，也就是存储在该控制单元中。这能够以特性曲线、组合特性曲线或者数学函数的形式实现。如以下说明的那样在确定加工头与工件的最小额定工作距离42时考虑拖动距离54。
以下附加地参照图4阐述用于加工工件的按照本发明的方法。为了以一个对于加工头12沿着额定加工轨迹28的选择的运动速度分别运行最优的加工头12与工件16的工作距离加工工件16，在第一工作步骤100中检测工件16的表面形貌。为此，在预给定加工头12与工件16的暂时额定工作距离38的情况下利用激光束20加工工件16。所述暂时额定工作距离38优选保守地选择，也就是该暂时额定工作距离具有一个如此大地确定的值，例如1至1.5mm，以便可靠地避免加工头12与工件16的碰撞。加工头12在该检测阶段期间以限定的速度沿着在控制侧预给定的额定加工轨迹28在箭头方向56上相对于工件16运动。在此，加工头12与工件16的相应的工作距离借助于距离传感器32检测并且借助于控制单元30被调节到临时的额定工作距离上。同时，由控制单元30时间分辨地检测加工头12沿着加工头12的运动轴X、Y、Z的相应轴位置。
在随后的方法步骤110中，根据所述工件16的以前检测到的表面形貌以及所述加工头的对应于所选择的运动速度(加工速度)的拖动距离54计算所述加工头12与所述工件16的最小额定工作距离42。在此考虑当前0.05毫米的预给定的安全边界。该安全边界也可以更大或更小地确定。
在另一工作步骤120中，在预给定所述确定的最小额定工作距离42的情况下沿着预给定的额定加工轨迹28沿箭头方向58(进一步)加工所述工件16。
根据所述最小额定工作距离42可以调节加工装置10、10’的另外的运行参数、特别是激光束源18的功率输出、激光束20相对于工件16的聚焦位置以及由喷嘴24导出的工艺流体26的压力并且从而间接调节其流量。
可以理解的是，在图2中给出的加工装置10’的情况下由控制单元30根据由光学传感器44生成的测量数据求得工件16的表面形貌并且可以将所述表面形貌用于确定加工头12与工件16的最小额定工作距离38。

Claims (14)

1.一种用于利用加工装置(10；10’)加工工件(16)的方法，所述加工装置具有能够以限定的速度与工件表面(36)间隔开地运动的加工头(12)，所述方法包括以下步骤：
A.)在加工所述工件之前或期间至少局部地检测(100)待加工的工件(16)的表面形貌；
B.)根据所述工件(16)的以前检测到的表面形貌以及所述加工头(12)的对应于所述限定的速度的拖动距离(54)确定(110)所述加工头(12)与所述工件(16)的最小额定工作距离(42)；和
C.)在预给定所述加工头(12)与所述工件(16)的确定的最小额定工作距离(42)的情况下加工(120)或进一步加工所述工件(16)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无接触地或触觉地检测所述待加工的工件(16)的表面形貌。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预给定所述加工头(12)与所述工件(16)的暂时额定工作距离(38)的情况下加工所述工件(16)以确定所述工件的表面形貌，其中，所述工件(16)的表面形貌利用传感装置(34)在表面检测区域(46)中检测，所述表面检测区域在所述加工头(12)的运动方向上沿着预给定的额定加工轨迹(28)至少部分地在相应的加工点(48)之前设置在所述工件(16)上，并且所述表面检测区域(46)与所述加工头(12)一起沿着所述额定加工轨迹(28)同步运动。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预给定所述加工头(12)与所述工件(16)的暂时额定工作距离(38)的情况下加工所述工件(16)以确定所述工件的表面形貌，其中，所述工件的表面形貌根据用于将所述加工头(12)与所述工件(16)的相应的工作距离调节到所述暂时额定工作距离(38)的控制信号或根据所述加工头(12)相对于所述工件(16)的距离调节运动来检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过确定所述加工头(12)的加速度值和/或所述加工头(12)沿其至少一个运动轴(X、Y、Z)走过的距离来求得所述距离调节运动。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在加工所述工件(16)之前确定所述加工头(12)的拖动距离(54)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在加工所述工件(16)期间求得所述加工头的拖动距离(54)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述最小额定工作距离(42)具有限定的安全边界。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述工件(16)的以前检测到的表面形貌和/或所述加工头(12)的以前求得的拖动距离(54)确定所述安全边界的大小。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将预给定的所述最小额定距离(42)用于调节所述加工装置(10；10’)的运行参数。
11.一种用于加工工件(16)的加工装置(10；10’)，具有：
加工头(12)，所述加工头能够以限定的速度与待加工的工件(16)间隔开地运动；
传感装置(34)，用于检测所述工件(16)的表面形貌；和
控制单元(30)，用于控制/调节所述加工头(12)相对于所述工件(16)的运动，
其中，给所述控制单元(30)编程以实施根据上述权利要求之一所述的方法。
12.根据权利要求11所述的加工装置，其特征在于，所述传感装置(34)具有距离传感器(32)用于测量所述加工头(12)与所述工件(16)的工作距离。
13.根据权利要求11或12所述的加工装置，其特征在于，所述加工头(12)具有用于引导工艺流体(26)的喷嘴(24)。
14.根据权利要求11或12所述的加工装置，其特征在于，所述加工装置(10；10’)是激光加工装置。
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