CN103869750B - 通过至少一个加工射流来加工一系列工件的方法和加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种借助于至少一个加工射流来加工一系列工件(21)的方法，包括以下步骤：——使每个工件(21)均与用于唯一地识别该工件的标识符相关联；——在加工相应的工件期间，通过至少一个传感器(30)来检测加工射流的时间特性；——对所检测到的时间特性进行评估以获得至少一个比较值；——以及为了检测不适当的加工，将所述至少一个比较值与至少一个阈值进行比较。

Description

通过至少一个加工射流来加工一系列工件的方法和加工装置
技术领域
本发明涉及一种用于通过至少一个加工射流来加工一系列工件的方法。
背景技术
使用例如流体、光子和/或气体的各种介质来产生加工射流。所述射流不具有固定的几何形状，但形成一种动态的工具，该射流的时间特性是可变的，例如，如果液体射流由含研磨材料的水形成，则会发生研磨材料以减少的范围暂时地供给到水中，并且因此，该液体射流以减少的能量作用于工件上。当通过激光、火焰切割或等离子体射流来加工时，会发生例如熔融物以例如珠子的形式沉淀在工件的表面上。如果这些珠子能在仍要加工工件的加工区域上被发现时，加工射流将会以与预期不同的几何形状作用在工件上。
加工射流的时间变化能够导致工件以不同质量被加工。常规的方法需要在最终检查期间检查每个工件以能发现低质量的工件。因此，工件的生产相对较复杂并且导致废品的增加。
在EP 1 577 727 A1中描述了一种方法，其中，例如在激光焊接两块板时，获得并评估参照信号以执行质量控制。当要加工一系列若干个工件时，没有提供用于简化这种控制的措施。
EP 0 816 957 A2描述了一种用于磨料水射流切割的方法，其中，喷嘴中的压力被检测并且将相应的信号送到控制单元。同样在该方法中，没有提供用于简化对一系列工件的质量控制的措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于通过加工射流来加工一系列工件的更有效的方法。
实现该目的的方法如下所述。本申请的其他方面提供了该方法的优选实施方式，实施该方法所能够借助的加工装置，以及该方法和/或该加工装置的使用。
一种通过至少一个加工射流来加工一系列工件的方法，其中，所述至少一个加工射流由具有或不具有磨料颗粒的液体形成，在所述方法中，使每个工件均与用于唯一地识别该工件的标识符相关联；在加工相应的工件期间，通过至少一个传感器来检测所述至少一个加工射流的时间特性；对检测到的所述时间特性进行评估以获得至少一个比较值Uv；以及为了检测不适当的加工，将所述至少一个比较值与至少一个阈值 Us进行比较，其中，所述至少一个传感器构造成对固体中的振动进行检测和/或对所述至少一个加工射流施加到工件支承件和/或工件上的压力进行检测。
在根据本发明的方法中，每个工件均与用于唯一地识别的标识符相关联，并且加工射流在相应的工件的加工期间的时间特性通过至少一个传感器来检测、评估以及与至少一个阈值进行比较。因此，能够以简化的方式检测加工误差。
优选地，误差指标与工件相关联。因此，具有正误差指标的这些工件能够在最终检查期间被特别地检查它们的实际加工质量。
附图说明
下文通过参照附图的示例性实施方式对本发明进行说明。在附图中：
图1示出了根据本发明的加工装置的立体图；
图2示出了要被加工的工件的示例的俯视图；
图3示出了根据传感器与加工区域之间的距离的传感器的信号；
图4a示出了根据图1的加工装置的运行期间的测量信号的时间进程；
图4b示出了预期的传感器信号的时间进程；以及
图4c示出了测量信号与预期的传感器信号之间的差值。
具体实施方式
图1示出了具有框架结构8的加工装置，该框架结构8位于地板上并且在框架结构8上设置有可移动的桥接部9。设置在所述桥接部9上的是加工头部10，该加工头部10能够横向于桥接部9移动，并且因此，能够沿水平面移动。此外，加工头部10能够垂直于该平面移动。因此，该加工头部能够至少沿三个独立的轴线移动。对加工头部10的控制通过例如CNC控制器形式的数字控制器的控制器15而进行。
该加工装置配备有常规的部件以在运行期间生成加工射流，该加工射流在离开加工头部10时加工工件21。加工例如通过射流来执行，该射流由液体在高压下形成。加工射流的示例如下：
——用于纯水射流切割的来自纯水的射流，
——用于磨料水射流切割的来自具有添加的研磨材料的水的水射流(为了形成水磨料悬浮射流，能够在高压泵处添加研磨材料，或为了形成磨料喷射器射流，能仅在加工头部10中添加研磨材料)，
——由除水之外的具有或不具有添加的研磨材料的液体形成的射流。
加工能包括不同的过程，例如：
——切透材料层，特别地，通过例如沿着轮廓线或钻孔切割材料层来切割工件，
——构造工件表面，特别地是雕刻工件表面，和/或去除材料，
——挤压工件表面。
控制器15包括例如键盘、监控器和/或点击装置(例如，触摸屏) 等的用于输入和输出信息的常规装置以及用于数据处理并用于产生控制信号的装置，该控制信号影响加工头部10在运行期间的移动。优选地，这些装置包括具有中央处理器(CPU)和存储器的计算器，其中，该存储器例如为随机存取存储器(RAM)和/或硬盘的形式。
加工装置包括工件支承件20，在工件支承件20上支承有要被加工的工件。在本示例性实施方式中，工件支承件20在内部区域中设置有凹处20a，并且因此形成了在边缘上支承工件21的框架。加工装置设置有用于保持工件21的保持装置22。保持装置22形成为例如夹具，工件 21通过该保持装置22压抵工件支承件20。
如果加工射流形成为液体射流，则——如此处根据图1的示例性实施方式中所示——可装填水的收集槽29(“射流接受器”)设置在框架结构8内。收集槽29用作在射流切透工件21之后消散液体射流中存在的残余能量。
为了检测加工射流的时间特性，加工装置具有至少一个传感器30。所述传感器连接到控制器15，在控制器15中，评估从传感器30传送的数据。
根据加工射流的构型，可以使用不同类型的传感器，例如，声音传感器，以及压力传感器。传感器的可能的类型在下文中进行详细说明。
a)用于检测结构声的声音传感器：
在利用加工射流进行加工期间，能量局部地释放到工件21中，这影响了弹性波的形成，该弹性波在工件21中传播，并且产生所谓的结构声。
如下文参照图3和图4说明的，加工射流的特性的时间变化引起了声级的相应变化。
为了检测该结构声，传感器30设置在工件上或者例如在工件支承件20处设置在加工装置自身上，如图1所示。在该第二变体中，从工件21到工件支承件20的声音传播因工件21由于通过保持装置22牢固地夹紧而被确保。为了保护传感器30免受由加工射流和/或污染物造成的不良影响，可以在工件支承件20中设置凹处，传感器30容纳在该凹处中，并且该凹处形成为至少在面向工件21或加工射流的侧部上是封闭的。
根据预期用途，传感器30也能够设置在加工装置的其他地方，例如，设置在切割头部10上或切割头部10中，泵处等。
除此之外，传感器30适于是声发射传感器。该声发射传感器例如以传感器壳体的形式构造，在传感器壳体中设置有压电测量元件。传感器30例如通过螺钉或磁性地紧固在工件支承件30上，使得工件支承件 21的振动传递到压电测量元件。
b)用于检测压力的传感器：
特别地，用作加工射流的液体射流在加工期间以一定的压力作用在工件21上。该压力在加工射流的特性操作地变化的情况下发生变化。该压力能够通过设置在例如工件21与工件支承件20之间的压力传感器检测。
图2示出了作为工件21的板的示例，其中，从该工件21切割下给出的形状21’。该形状由轮廓25限定。在本示例中，该形状21’具有两个开孔，使得轮廓25由外轮廓25a以及两个内轮廓25b和25c组成。根据加工射流的构型，产生于切透工件21的材料层的壁将不会精确地垂直于工件21的上侧。在这种情况下，工件的下侧上的轮廓将不会精确地匹配上侧上的轮廓25。因此，如果必要，将会重新加工切割壁，以实现所需的质量。
图2同样示出了X-Y坐标系，其中，为下文的说明做如下假设：作为传感器30的声音传感器设置在坐标系的原点NP。该传感器30是固定的，但加工头部10被移动以沿着轮廓25移动加工射流。因此，传感器30与加工头部10之间以及因此传感器30与加工射流之间的距离d将会随着时间的变化而变化，相应地，传感器的测量信号将会更强或更弱。
为了在加工工件21时过滤掉这种系统的内在变化，提前校准测量信号。为此，至少一个测试工件通过将所述射流移动例如远离原点NP的最小距离而用加工射流来加工，并且测量信号根据距离d来检测。图3示例性示出了根据距离d的波动的测量信号U0。该测量信号U0通常是与声音的强度对应的电压值。为了改善信号U0与距离d之间的关联性，加工射流能够沿着多个加工路径行进，并且能够使相应的测量电压平均。
随后，例如，将数学函数适用到所收集的测量值。所述函数在图3中由用实线绘出的曲线35示出。替代性地，也可以制作一个包括信号值U0 和相关联的距离值d的表格。
这些函数或表格形式的校准数据随后由控制器15使用来计算在对于给出的工件21上的加工操作的时间t内的预期的传感器信号Ue。根据限定要被切割的轮廓25的数据，控制器15通过程序确定距离d的时间进程，并且随后，通过校准数据确定被预期的传感器信号Ue的时间进展，因此， Ue传递标准值，该标准值能够与在加工工件21时测量的信号U相比较。
图4b示例性地示出了根据时间t的被预期的传感器信号Ue。图4a示例性地示出了在加工工件21时由传感器30提供的测量信号U的时间进程 40。根据图4c的最低的图示出了U-Ue，即，测量信号U与预期的传感器信号Ue之间的差值。
在根据图4的示例中，不同的时间点t1至t8标记在时间轴线t上，该时间轴线t示出了下列加工状态：
从时间t＝0至t＝t1以及从时间t8向前，在每种情况下加工装置处于运行中，但关闭加工射流。
在t1处，加工射流打开并且撞击到工件上。传感器30的信号U现在在一定的区域内波动。在时间间隔t1与t2、t3与t4、t5与t6以及t7与t8 之间，在每种情况下的加工射流大致对应于期望的特性，使得波动较小。
在t2与t3、t4与t5以及t6与t7之间，加工射流的特性具有明显的变化，使得射流不再对应于标准状态。例如，这能在磨料水射流切割期间发生，该磨料以减少的范围供应给水，并且因此，加工射流以减少的能量作用于在工件上。
由于信号值U降至明显较低的水平的事实，因此，与标准状态的偏差在信号进展曲线40中是可见的。根据图4c的信号进展曲线示出了随后 U-Ue的值明显地不是0。
为了检测与标准状态的这种偏差，控制器15基于一定的标准评估信号进展40，例如，如果符合下列标准，则给出不再能容许的偏差：
在从t1至t8的时期中，U值在给出的时间ts期间至少偏离一次，或比标准值Ue超出了大于给出阈值Us：在时间间隔t≥ts期间，|U-Ue|＞Us。
为了获得比较值，所需的传感器信号U同样能够被评估，使得连续平均值在加工期间被计算，并且Ue值被从中减去。以在移动加工射流时去除系统的内在变化。
加工射流的改变的特性能够导致加工出质量降低的工件。本文中描述的加工装置使得能够在加工一系列的工件时获得用于可能已经被以降低的质量加工的那些工件的指标(误差指标)。因此，在最终检查期间，不必彻底地检查所有的工件；而检查具有正误差指标的工件就足够了。
例如如下实施用于加工的方法：
——一系列工件中的每个工件均与允许识别工件的标识符相关联。标识符例如能够是由控制器15生成的递升序列的数字，或可以将与加工工件的数据和时间对应的数据用作标识符。
——当加工相应的工件时，加工射流的时间特性通过传感器30检测。根据以上示出的示例，因此，可以获得用于每个工件的信号U(t)。
——评估检测的时间特性以获得至少一个比较值。根据上文示出的示例，形成了差值Uv＝|U-Ue|，其中，Ue对应于基于校准而确定的传感器30 的预期水平，并且U为在t1和t8的间隔中的值。因此，在关闭加工射流时——即在t1之前以及在t8之后——测量的U的值在此处不作考虑。
工件与误差指标相关联，该误差指标根据所述至少一个比较值与至少一个标准值的偏差而被限定。根据上文示出的示例，在至少ts期间差值 Uv大于Us一倍或几倍：在时间间隔t≥ts期间Uv>Us的情况下，工件与误差指标相关联。该误差指标可以是标识的形式，例如：
“0”代表“没有检测到偏差”以及
“1”代表“检测到偏差”
——在最终的检查期间，更彻底地检查那些工件的加工质量，指标的标识设定成“1”。
与标识一起，或作为对标识的替代物，其他数据同样能够针对每个工件而被储存。
例如，可以储存提供与时间t的联系的数据，在该时间t时，加工射流已在工件21上加工了给定的加工区域(下文称作“XY数据”)。根据加工装置的设计，这些XY数据能够例如为加工区域的平面或空间中的坐标，和/或在要加工工件上的多个区域的情况下为与相应的加工区域相关联的数字。
因此，可以储存大于阈值US的偏差值Uv以及已经发生不理想的偏差的加工区域的坐标。这因可以在加工射流的特性已经出现不规则的位置特别地检查工件的所需的加工质量而使最终检查能变得特别简单。
例如，在生产涡轮叶片期间，大量的孔被钻出。孔的数量为几百个，使得每个孔的测量都非常耗时。通过额外地记录表示加工射流的位置的时间进展曲线的XY数据，在相应的涡轮叶片的情况下可以特别地发现并且测量那些孔，其中由传感器30测得的值示出了不理想的偏差。
表示加工射流的位置的时间进展的XY数据能够以各种方式获得：
例如，控制器15以如下方式构造：从为相应的加工确定加工头部10 的时间移动的程序数据中，XY数据能够被读出和/或生成。这例如在包括 PLC(“可编程序逻辑控制器”)的控制器15的情况下是可能的。
为了加工头部10的精确定位，加工装置在大部分情况下设置有反馈控制，通过反馈控制，用于移动加工头部10的马达被反馈控制。此处，实际值通过例如用于检测位置和/或角度变化的增量编码器的适合的传感器检测，并且根据设定点值的偏差校正位置。因此，可以根据传感器的信号确定加工头部10的时间移动。
此外，为了检测加工头部10随时间推移的移动，可以设置包括一个或多个传感器的单独的测量系统。
作为另一变体，可以制定并储存包含以下信息中的一个或更多个信息的规程：
——工件的标识符，
——误差指标，
——已经根据时间和/或距离加工的区域的坐标(Xb、Yb)，
——在工件上存在多个加工区域的情况下，与相应的加工区域相关联的唯一编号N(工件具有例如给定数目的轮廓线作为加工区域，该加工区域例如从1至N1编号)，
——根据时间的信号U，编号N和/或坐标(Xb、Yb)，
——根据时间的校准级别Ue，编号N和/或坐标(Xb、Yb)，
——根据时间的偏差Uv，编号N和/或坐标(Xb、Yb)。
上述坐标(Xb、Yb)可以包括X坐标、Y坐标和/或Z坐标。
制定一个规程是有用的，例如，在要被加工的工件用于必须满足关于安全的特别高的要求的领域中的情况，例如，在飞机制造，医疗技术，涡轮制造等领域。
如上概述，在生产过程中产生并储存数据为追溯地核实各个工件的生产进度提供了可能性。这例如能够在出现担保或责任问题时起作用。
在例示的实施方式中，X位置、Y位置以及Z位置从控制器中读出并且及时地与测量信号一起记录。一种可能的评估也可以以脱机模式执行。唯一的标识被加到例如日期、时间、参数设定、程序、工件编号、轮廓编号以及轮廓上的位置的数据。
作为另一变体，可以使用检测的偏差值Uv来控制加工过程，以便以此方式使所述过程最优化。为此，所述至少一个传感器30是闭环控制的一部分，该闭环控制构造用于基于偏差值Uv改变加工射流的特性。在反馈控制期间，Uv的当前值作为“实际值”而由控制器15连续地计算，并且与预先设定的此处为0的“设定点值”相比较。如果系统偏差太大(根据上述示例，如果实际值与设定点值之间的差值高于阈值)，则控制器15 以改变某些工艺参数的方式控制机床。例如，能够减小加工射流的行进速度和/或其操作加工能量。因此，例如，在加工期间借助于液体射流的压力减小，使得射流以较低的速度离开加工头部10。如果液体射流与磨料一起使用，则由于添加的磨料的量的改变也因此给予了可调节的工艺参数。
反馈控制同样能够以如下方式建立：在偏差值Uv超出阈值并且随后再次降至低于阈值的频率增加的情况下，加工过程被中断以向用户提供检查机床上的设置的机会。例如，在磨料水射流切割的情况下，能够发生磨料分批供应到水中，从而导致液体射流的不理想的脉冲操作。
作为另一变体，可以使用在工件加工过程的开始时所需的时间特性来检测所选择的设置中的错误。例如，输入若干个设定参数以用于设置例如要被加工的工件的材料类型，工件的厚度，在磨料水射流切割情况下磨料的压力和类型等。在控制器15中，储存有限定设定参数与被期望的传感器信号之间关系的表格。该表格能够靠经验获得和/或通过试运转获得和/ 或基于公式以及靠经验获得的数据的计算获得。例如，该表格构造成使得用于某些给出的设定参数的被预期的传感器信号处于给出的频率范围内。在操作中，控制器15控制测得的传感器信号是否对应于被预期用于输入的设定参数的频率。如果不对应，则控制器15发出错误信息。随后，用户会检查实际设置并且相应地校正该实际设置。
对于被预期的值与测得的值之间的比较，也可以使用储存的数据，对于特殊的参考材料，该储存的数据包括被预期的频率和/或能量。
总之，对特别适合的材料的生产控制和生产验证例如在用于医疗技术的工件生产中会是有利的。
根据先前的描述，本领域的技术人员在未背离由权利要求限定的本发明的范围的情况下可任意使用许多改型。
可以使用两个或更多个传感器30来检测加工射流的时间特性。传感器 30设置在加工装置上的不同位置处，使得关于级别和/或时间的信号进展通常是不同的。除此之外，通过借助多个传感器30的测量，可以精确地确定加工射流的特性中的不理想的偏差的发生与实际测量值之间的时间延迟。因此，能够将不理想的偏差非常精确地分配到工件上的已经发生偏差并因此加工可能不是最佳的加工区域。
在简化实施方式中，时间延迟同样能够借助于单个传感器30通过在计算中包括时间校正值而在测量期间被考虑在内，该校正值例如靠经验确定。

Claims (22)

1.一种通过至少一个加工射流来加工一系列工件(21)的方法，其中，所述至少一个加工射流由具有或不具有磨料颗粒的液体形成，在所述方法中，
使每个工件(21)均与用于唯一地识别该工件的标识符相关联；
在加工相应的工件期间，通过至少一个传感器(30)来检测所述至少一个加工射流的时间特性(40)；
对检测到的所述时间特性(40)进行评估以获得至少一个比较值Uv；以及
为了检测不适当的加工，将所述至少一个比较值与至少一个阈值Us进行比较，其中，所述至少一个传感器(30)构造成对固体中的振动进行检测和/或对所述至少一个加工射流施加到工件支承件(20)和/或工件(21)上的压力进行检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，相应的工件(21)与误差指标相关联，所述误差指标是根据所述至少一个比较值与所述至少一个阈值的偏差来确定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述误差指标包括标识，和/或能够从所述误差指标获得信息，所述信息表示：在已经通过所述加工射流加工过所述工件(21)的加工区域(25)，所述至少一个比较值的绝对值大于所述至少一个阈值。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个比较值Uv是根据预定的期望值Ue形成的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个比较值Uv形成为所述至少一个传感器(30)的测量信号U与所述期望值Ue之间的差值的绝对值：Uv＝|U-Ue|。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，加工期间误差的存在是根据以下原则来确定的：当对工件(21)进行加工时，存在至少一个时间间隔，所述至少一个时间间隔至少持续预定时间，并且在所述至少一个时间间隔期间，所述至少一个比较值的绝对值超过所述至少一个阈值。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，执行校准，在所述校准中，在所述至少一个加工射流打开的情况下，所述至少一个传感器(30)的信号U0是根据所述至少一个加工射流距离原点(NP)的距离(d)来检测的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述校准优选地在对所述一系列工件(21)进行加工之前执行。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个传感器(30)为闭环控制的一部分，所述闭环控制用于根据所述至少一个比较值与所述至少一个阈值的偏差来改变所述至少一个加工射流的特性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述闭环控制包括以下部件中的至少一个：
-驱动装置，所述驱动装置用于使所述至少一个加工射流移动；
-泵，所述泵用于将所述至少一个加工射流在压力下从加工头部(10)喷射出；
-定量供应装置，所述定量供应装置用于向所述至少一个加工射流添加研磨材料。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，如果所述至少一个比较值连续若干次超过以及降至低于所述至少一个阈值，将工件(21)的加工中断。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在所述加工期间，相应的工件(21)支承在包括所述至少一个传感器(30)的工件支承件(20)上。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个加工射流为用于将材料层切透的切割射流。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，为了获得所述至少一个比较值Uv，所述方法包括：将检测到的时间特性(40)与校准值进行比较，所述校准值限定当所述至少一个加工射流与所述至少一个传感器(30)之间距离变化时所述至少一个传感器(30)的信号的变化。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，为了检测错误的设定，通过对获得的时间特性(40)进行评估以及将所述时间特性(40)与存储的数据进行比较，获得所述至少一个比较值Uv，所述存储的数据限定设定参数与预期的传感器信号之间的关系，并且所述存储的数据用于获得所述至少一个阈值Us。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在频谱中完成所述比较。
17.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，针对相应的被加工的工件来存储数据，所述数据包括所述标识符以及关于检测到的时间特性的信息，其中，所述数据用来进行所需生产条件的确认。
18.一种加工装置，通过所述加工装置能够实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，
所述加工装置在操作期间产生至少一个加工射流以对工件(21)进行加工，以及
所述加工装置包括至少一个传感器(30)，以在对工件(21)进行加工时检测所述至少一个加工射流的时间特性(40)，其中，
所述至少一个传感器(30)构造成对固体中的振动进行检测和/或对所述加工射流施加到工件支承件(20)和/或工件(21)上的压力进行检测，并且
所述加工装置设置有程序，在所述程序的执行期间，所述方法能够被实施。
19.根据权利要求18所述的加工装置，其中，所述加工装置具有工件支承件(20)，所述工件支承件(20)包括所述至少一个传感器(30)，并且在加工期间，工件(21)支承在所述工件支承件(20)上。
20.根据权利要求18至19中的任一项所述加工装置，其中，所述工件支承件包括框架，工件(21)能够通过保持装置(22)紧固在所述框架上。
21.将根据权利要求1至17中的任一项所述的方法和/或根据权利要求18至20中的任一项所述的加工装置用于对工件进行加工、用于切割和/或用于钻孔的用途。
22.根据权利要求21所述的用途，其中，对工件进行加工包括对所述工件的表面进行构造和/或挤压。
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