CN106925886B - 在切割结束时关断射束的激光切割方法以及激光切割机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于借助于由激光切割头(5)发出的激光射束(3)将自身闭合的切割轮廓(8)激光切割到金属工件(2)中的方法,其中,所述激光切割头(5)相对所述工件(2)的间距(A)被测量,在该方法中,为了探测所述切割轮廓(8)的结束,根据本发明至少在所述切割轮廓(8)的一结束区段(12)上确定间距测量值(A)的时间梯度(dA/dt)并与一梯度阈值((dA/dt)S)进行比较,并在超出所述梯度阈值((dA/dt)S)时探测到所述切割轮廓(8)的结束并且所述激光射束(3)在它的功率上被减小、尤其是被关断。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助于由激光切割头所发出的激光射束将自身闭合的切割轮廓激光切割到金属工件中的方法,其中,测量激光切割头(尤其是激光切割头的切割喷嘴)相对于工件的间距,以及本发明涉及一种所属的激光切割机和一种所属的计算机程序产品。
背景技术
这类激光切割方法和这类激光切割机例如通过DE 11 2012 004 174T5已知。
已知的是,在用于内孔加工的激光切割中借助激光射束行驶出闭合切割轮廓,用以使切割块团(例如废料块、产品件)从工件(片材)分离出。例如当激光射束行驶出整个切割轮廓并又到达开始在该切割轮廓上切割的那个点时,激光可以停止。也就是说,激光切割机的NC轨迹被这样编程,使得NC轨迹的起始点和结束点是一致的。由此,切割轮廓虽然被可靠地切割至结束,但是与轮廓几何形状、切割间隙宽度和切割参数相关地,工件部分会在即将到达NC轨迹的结束点时就已经被切断。因为激光射束在到达NC轨迹的结束点之后才被关断,因此在向下倾翻的工件部分(或局部块团)上可能会出现射束反射,这些射束反射于是会引起形式为残渣飞溅或者轮廓受损的、切割棱边上的不规则性。此外,由此可能会在加工的启动点或结束点时被带入过多的热,从而会出现切割棱边的受损和变色。因此在不锈钢中进行熔融切割的情况下可能会在轮廓结束时出现氧化,在工件部分 (或局部块团)倾翻离开并且然后氧气被卷绕到切割棱边上并与该切割棱边发生反应之后会产生上述氧化。因此有利的是:一旦识别出切割块团(内孔)被切断 (即不再与片材连接),即使激光射束还没有再次到达开始切割出切割轮廓的那个点,就关断该激光射束。
由DE 11 2012 004 174 T5已知在工件中实施贯通钻孔时这种激光射束关断。在此,切割喷嘴与工件之间的间距被间距传感器测量,并且相对工件的该间距通过该测量值借助于间距调节装置被保持恒定。当切割喷嘴与工件之间的测量到的间距增加并超出预先给定的值时,使激光停止,推测认为可能的原因是,一旦切割块团被切断,则切割块团从轮廓中掉出。
然而,如果切割块团没有掉出(例如如果轮廓切割已经在支承接片上实施) 并且因此没有超出预先给定的值,则激光不被提早停止,这会导致切割块团 (Schneidbutzen)和支承接片(Auflagesteg)相焊接。切割块团于是在一个点上与支承件保持连接并且不会掉落,而是在轮廓切割结束时仅倾翻。卡住/倾翻特别是在片材较厚时经常出现,即使没有发生与工件支承件相焊接。由此不能确保的是,切割喷嘴与工件的间距用的所述预先给定值被超出并由此探测到切割块团的切断用以提早关断激光射束。
此外,被部分切割的切割块团的垂挂(例如在具有易损/复杂结构的内孔情况下)可能会导致了间距传感器(尤其在面式测量的电容式传感器的情况下)的错误信息进而切割喷嘴与工件的间距的错误信息,从而没有维持理想的切割间距,而是加载了具有偏移的间距,这是关于切割喷嘴相对工件的、用于激光射束关断的“预先给定的值”方面的附加不准确性。
发明内容
与之相对,本发明的任务在于如下地改进开头提到类型的激光切割方法,即,在工件部分被切开然而没有掉出的情况下,也不会出现工件(或工件部分)的切割棱边的受损或变色。尤其地,所述切割轮廓的结束应被可靠地探测到并由此应提早关断激光射束。
该任务根据本发明通过如下方式解决,即,为了探测到切割轮廓的结束,至少在切割轮廓的结束区段上确定出间距测量值的时间梯度并将其与梯度阈值进行比较,并且在超出所述梯度阈值时探测到切割轮廓的结束并使激光射束在其功率方面减少、尤其是关断。
根据本发明,为了探测到切割结束,至少在即将到达轮廓切割的结束时,监控间距测量值的变化(即间距测量值的时间梯度)。一种情况或在大多情况下,被切开的工件部分(例如切割块团)的倾翻导致了测量到的间距曲线的跳跃,由此,即使间距测量值自身没有超出预先给定的间距值(例如因为偏移),也识别出该切断的结束。在超出所述梯度阈值时,激光可以不仅是被关断,而且也可以仅在其功率方面被减少(例如西墨尔运行(Simmerbetrieb)),从而激光射束不继续熔融所述片材,然而该激光射束的功率又可以较快地爬升。轮廓结束时的自动的、被调节的射束关断能够与轮廓几何形状和轮廓参数相关地实现该轮廓结束时的切割棱边品质的改善。替代仅在一个结束区段上,间距测量值的时间梯度也可以在整个切割轮廓上被监控。
要么附加于要么替换于借助梯度阈值探测所述切割轮廓的结束,为了改善切割轮廓的结束区段上的过程安全性,工件相对激光切割头的间距可以不再被调节,而是受控地被调整成预先确定的额定间距。由此不会发生:由于间距测量值的错误信息(当例如切割块团的长形的、易损的区段在切断点附近在部分切断之后就已经下降时)导致了切割喷嘴的额定间距相对实际间距的偏移。尤其可以将激光切割头相对工件的间距又控制成切割轮廓开始时测量到的原始间距,如果由于部分下降的切割块团部分还没有发生偏移,则由此额定间距大致相应于实际间距。替换地,激光切割头相对工件的间距可以受控地被调整成恒定额定间距,该恒定额定间距基于即将到达结束区段时测量到的间距;尤其地,Z轴线被调整成所述间距的最后被调节到的值。这与切割轮廓开始时控制激光切割头相对工件的间距相比是有利的,一旦这种加工导致出现较大的热延迟并且例如由于待切割几何形状还不会出现部分下降的切割块团部分,那么这是因为:与切割轮廓初始点时激光切割头相对工件测量到的间距相比,于是在结束区段之前的测量到的间距更准确地相应于实际间距。
优选地,激光切割头相对工件的间距以无触碰方式(尤其是电容式或光学式) 被测量。
在电容式间距传感器的情况下,传感器电极(在激光切割下通常是切割喷嘴) 与作为对应电极的工件之间(至少在近似于电路板电容器的情况下)的测量到的电容仅与电极的间距、电极(空气/切割用气体)与电路板表面之间的电介质相关。用于控制激光切割头相对工件的间距的上述两种替换解决方案具有这样的优点,即,至工件的实际间距也在没有间距调节的情况下非常准确地已知(正如传感器与工件之间的电介质那样),从而通过电容式间距传感器的间距测量在偏离已知的实际间距时给出关于传感器电极下方的工件表面的情况说明。这允许了:尤其在借助于超出梯度阈值来识别出所述切断之后,将借助电容式间距传感器所测量到的测量值与传感器电极下方的由于工件部分被切断而减小的工件表面进行比较。由此可以求取到:至少当涉及到小的切断的工件部分时,切断的工件部分是掉落还是例如在残余片材中已倾翻。
在另一方面,本发明也涉及一种用于激光切割金属工件的激光切割机,所述激光切割机具有:用于产生激光射束的激光射束产生器;激光切割头,其使激光射束指向工件;间距传感器,其测量激光切割头相对工件的间距;以及机器控制器,其被编程来执行根据本发明的方法。
本发明最后也涉及一种计算机程序产品,其具有程序编码,这些程序编码被适配用于,当程序在激光切割机的机器控制器上运行时执行根据本发明的方法的所有步骤。
附图说明
本发明的主题的其它优点和有利的设计方案由说明书、权利要求书和附图获悉。同样,前面提到的和还要继续解释的特征可以分别单独使用或多个进行任意组合。所示的并被描述的实施方式不被理解为最终的列举,而是确切地说具有对于描述本发明的示例性特性。
附图示出了:
图1:示意性示出了根据本发明的激光切割机;以及
图2:示出了根据本发明的激光切割方法,其包括步骤:探测切割轮廓的切割结束并且将切割结束时的激光束进行关断或者使其功率减少。
具体实施方式
在图1中示出的激光切割机1用于借助于激光射束3激光切割金属工件2。
激光切割机1包括:用于产生激光射束3的激光射束产生器4;能相对于工件 2在X-Y平面中运动的激光切割头5,该激光切割头5使激光射束3指向工件2;间距传感器6,该间距传感器6测量激光切割头5相对于工件2的间距A;以及机器控制器7,在将自身闭合的切割轮廓8激光切割到工件2中时,该机器控制器控制所述激光射束产生器4和激光切割头5的x-y相对运动。在所示实施例中,所述间距传感器6测量该激光切割头5的切割喷嘴9相对于工件2的间距A,激光射束3与切割用气体(未示出)一起由切割喷嘴发出。借助于切割轮廓8切出的工件部分(例如切割块团)以10表示。替代于激光切割头5与工件2之间的相对运动,激光射束3也可以从激光切割头5沿x方向和/或y方向偏转。
在切割出切割轮廓8时,切割喷嘴9相对工件2的间距A利用间距传感器6 测量并且通过该间距测量值借助于间距调节器11被保持恒定,所述间距调节器可以是机器控制器7的部件。
图2a示出了激光射束3在工件2上沿X方向和Y方向的运动,用以切出工件部分10。激光射束3在起始点I开始并逆时针行驶出自身闭合的切割轮廓8(如通过箭头简示那样)。与轮廓几何形状、切割间隙宽度和另外的切割参数相关地,工件部分10在即将到达切割轮廓8的起始点I时(即在结束点E时)已经切断。
图2b示出了针对如下情况的测量到的间距A的时间走向:即,被切断的工件部分10在结束点E时从工件2掉出,并因此测量到的间距A超出预先给定的间距阈值AS。在被超出的阈值上,机器控制器7探测到工件部分10的切断并且还在到达起始点I之前就关断该激光射束3。
图2c示出了针对如下情况的测量到的间距A的时间走向:即,切断的工件部分10在结束点E时(例如因为倾翻)没有从工件2掉出,并且测量到的间距A没有超出预先给定的间距阈值AS。在该情况下,机器控制器7没有探测到工件部分 10的切断并且在到达起始点I时才关断激光射束3,由此工件2或者工件部分10 的切割棱边可能会出现受损或变色。
为了在工件部分10被切断然而(例如因为倾翻)没有掉出时也可靠地已经在结束点E探测到切割轮廓8的结束(如图2d中示出的那样),根据本发明,至少在切割轮廓的结束区段12上确定出间距测量值A的时间梯度dA/dt并将其与梯度阈值(dA/dt)S进行比较。在超出该梯度阈值时,机器控制器7探测到切割轮廓8的结束并将激光射束3在其功率方面降低或关断激光射束3。
替换于图2d可以(正如图2e中示出的那样)根据本发明为了改善所述切割轮廓8的结束区段12上的过程安全性而将激光切割头5相对工件2的间距A受控地调整到成预先确定的额定间距ASE。优选地,该额定间距ASE相应于切割轮廓8 开始时在点I上预先给定的初始额定间距ASO。由此,不会发生由于间距测量值的错误信息而导致切割喷嘴9相对工件2的间距的偏移。额定间距ASE可以(正如图 2e中示出的那样)以突然的方式被受控地调整或者在较缓慢的连续运动中被受控地调整,从而使得初始额定间距ASO最晚在到达起始点I时被实现。
替代如图2e中调整成初始的额定间距ASO,尤其可以在2D激光加工机中(如图2f中示出的那样)在切割轮廓8的结束区段12上将激光切割头5相对工件2 的间距A保持调整成所述间距的最后被调节到的值,即,保持调整成在时间点t1到达所述结束区段12时的间距值A1。
替换于图2e和2f可以(正如图2g中示出的那样)根据本发明为了改善在切割轮廓8的结束区段12上的过程安全性而将激光切割头5相对工件2的间距A受控地调整成预先确定的额定间距ASE,该额定间距基于即将到达所述结束区段12 时的间距A的至少一个测量值(即,在这里基于时间点t1-Δt时的测量到的间距 AΔt)。在2D和3D激光加工机中,也可以使激光加工头5这样受控地运动,使得在切割轮廓8的结束区段12上将相对于工件2的间距A调整成这样的轨迹:该轨迹相应于即将到达所述结束区段12时的间距A的多个测量值的外推法,例如线性外推法或者二次外推法。
Claims (10)
1.一种用于借助于由激光切割头(5)发出的激光射束(3)将自身闭合的切割轮廓(8)激光切割到金属工件(2)中的方法,在该方法中,测量所述激光切割头(5)至所述工件(2)的间距(A),其特征在于:
-为了探测出所述切割轮廓(8)的结束,至少在所述切割轮廓(8)的结束区段(12)上确定该间距(A)的测量值的时间梯度(dA/dt)并将其与梯度阈值((dA/dt)S)进行比较,并且
-在超出所述梯度阈值((dA/dt)S)的情况下,探测出所述切割轮廓(8)的结束,并且将所述激光射束(3)在其功率方面减小。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在超出所述梯度阈值((dA/dt)S)的情况下,探测出所述切割轮廓(8)的结束,并且将所述激光射束(3)关断。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,为了改善所述切割轮廓(8)的结束区段(12)上的过程安全性,将所述激光切割头(5)至所述工件(2)的间距(A)控制成预先确定的额定间距(ASE)。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述结束区段(12)上,将所述激光切割头(5)至所述工件(2)的间距(A)又控制成所述切割轮廓(8)开始时所测得的原始额定间距(ASO)。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述结束区段(12)上,将所述激光切割头(5)至所述工件(2)的间距(A)控制成额定间距(ASE),该额定间距基于到达所述结束区段(12)时的间距(A1)或者基于即将到达所述结束区段(12)时测得的至少一个间距(AΔt)。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,至所述工件(2)的额定间距(ASE)被受控地调整成如下运动轨迹,该运动轨迹相应于该间距最后被调节到的值(A1)或者相应于即将到达所述结束区段(12)时的间距(AΔt)的多个测量值的外推法。
7.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,根据预期的实际间距以及根据测得的间距(A)求取到:被切断的工件部分是掉落还是倾翻。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述激光切割头(5)至所述工件(2)的间距(A)以无触碰方式被测量。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述激光切割头(5)至所述工件(2)的间距(A)以电容式或光学式被测量。
10.一种用于借助于激光射束(3)激光切割金属工件(2)的激光切割机(10),该激光切割机具有:
-激光射束产生器(4),所述激光射束产生器用于产生激光射束(3);
-激光切割头(5),所述激光切割头使所述激光射束(3)朝着工件(2)指向;
-间距传感器(6),所述间距传感器测量所述激光切割头(3)至所述工件(2)的间距(A);以及
-机器控制器(7),所述机器控制器被编程用以执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
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