CN110603118A - 用于调整激光加工头到工件表面的距离的方法和距离调整装置以及计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调整激光加工头(1)到待加工工件(3)的工件表面(2)的距离的方法，该方法具有以下步骤：a.预给定用于在垂直于工件表面(2)的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的第一应有值(Z_soll)；b.预给定用于激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的第二应有值(d_soll)，其中，第二应有值(d_soll)至少包括在垂直于工件表面(2)的方向上的第一分量；c.检测与在垂直于工件表面(2)的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离(Z_ist)有关的距离参量(d_ist)；d.将第一和第二应有值(Z_soll，d_soll)和检测到的距离参量(d_ist)或与改距离参量有关的参量提供给距离调整装置(10)，以便在考虑第一和第二应有值(Z_soll，d_soll)以及所述距离参量(d_ist)或与该距离参量有关的参量的情况下调整在垂直于工件表面的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离。

Description

用于调整激光加工头到工件表面的距离的方法和距离调整装 置以及计算机程序产品

技术领域

本发明涉及一种用于调整激光加工头到待加工工件的工件表面的距离的方法以及用于调整激光加工头到待加工工件的工件表面的距离的距离调整装置。本发明还涉及一种用于调整激光加工头到待加工工件的工件表面的距离的计算机程序产品。

背景技术

工件，如管，或者还有扁平的或三维变形的板材，都能够以激光切割方法被加工，其中，激光切割头倾斜地对准工件表面。到目前为止已知，检测激光加工头到工件的距离并且在检测到的值与应有值有偏差时使倾斜的激光加工头相对于工件在射束方向上移动。

激光加工头到工件的距离的偏差一方面由于加工过程中的工艺变化引起，例如因为必须以不同的切割距离执行不同的切割任务。另一方面由于工件的误差或在夹紧工件时出现的误差引起。在理想情况下，即，实际的工件几何形状精确地相应于假定的参考工件的几何形状，不会由于工件的误差而导致调整运动。因此，调节装置仅调整工艺引起的切割距离变化。这些运动在倾斜切割的情况下必须在射束方向上进行，以便不出现轮廓误差。

尽管工件非常精确并且尽可能好地调整工件，但在倾斜切割加工工件时总是会出现轮廓误差。已经发现，在射束方向上补偿工件误差是造成这种情况的原因。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种允许更精确和可靠地加工工件的装置和组件。

根据本发明，该任务通过一种用于调整激光加工头至待加工工件的工件表面的距离的方法来解决，该方法具有以下方法步骤：

a)预给定用于在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离的第一应有值；

b)预给定用于激光加工头到工件表面的距离的第二应有值，其中，第二应有值至少包括在垂直于工件表面的方向上的第一分量；

c)检测与在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离有关的距离参量；

d)将第一和第二应有值和检测到的距离参量或与该距离参量有关的参量提供给距离调整装置，以便在考虑第一和第二应有值以及所述距离参量或与该距离参量有关的参量的情况下调整在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离。

术语“值”在此应广义地理解。它可以表示标量或向量大小等。

与在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离有关的距离参量可以直接是垂直于工件表面的距离。但其也可以是其它距离，由该其它距离可以求得垂直于工件表面的距离。例如，如果激光加工头相对于工件表面以不等于90°的放置角度定向，可以测量沿着射束方向的距离并且根据该距离在已知激光头相对于工件表面定向的该放置角度的情况下求得垂直于工件表面的距离。

根据本发明的方法考虑了激光加工头与工件表面之间的距离变化的原因。工艺原因引起的加工距离、尤其是切割距离的变化和工件表面上的误差导致激光加工头相对于工件表面的不同运动。加工距离的应有值变化是预先已知的，例如通过激光工艺表格。可以通过预给定第一应有值来考虑这种应有值变化。附加地，由于工艺变化而可能出现工艺引起的应有值变化。通过预给定第二应有值可以考虑这些变化。与此并行地，连续检测激光加工头与工件表面之间的距离并且将由于干扰、例如由工件轮廓与应有轮廓的偏差而可能出现的变化与应有值变化一样提供给距离调整装置。

换句话说，通过根据本发明的方法可以将距离改变例如划分为沿射束方向(X-Z方向，其中，X方向平行于工件表面并且Z方向垂直于工件表面)的由工艺引起的距离变化，例如因为有利地以到工件表面的更大或更小的距离进行激光切割过程，和沿Z方向的由于工件变化而出现的距离变化。

根据该方法的一种变型可以规定，在考虑所述距离参量或与其有关的参量和第二应有值的情况下求得校正参量，该校正参量与第一应有值一样被提供给距离调整装置的第一调节组件。校正参量例如可以通过数控装置求得。尤其可以通过将检测到的距离参量和第二应有值彼此相减并提供给数控装置来求得校正参量。

如果将第二应有值提供给第一调节装置，得到更精确的距离调节。

尤其可以规定，将校正参量、第一应有值和第二应有值或者第二应有值的第一分量，尤其是其在Z方向上的分量，相加。然后可以在第一调节组件中使用相加结果，以便能够执行精确的距离调节。

根据该方法的优选变型可以规定，将用于工件表面上的加工点到激光加工头的距离的第三应有值和所述第二应有值或第二应有值的在与第三应有值相同方向上的第二分量提供给第二调节组件。因此，不仅可以调节激光加工头垂直于工件表面的距离，而且可以调节激光加工头到加工点的平行于工件表面的距离。

根据该方法的变型可以规定，在考虑激光加工头的放置角度的情况下求得第二分量。尤其是，如果第二应有值沿射线方向预给定，则可以从第二应有值求得第二分量。例如可以通过将第二应有值乘以tan(α)来求得第二分量，其中，α是放置角度。如果工件表面在机床坐标系中在X-Z平面中与X轴成角度γ，使得激光加工头在机床坐标系中占据角度β＝α+γ，则第二应有值应乘以tan(β)。

此外，一种用于调整激光加工头到待加工工件的工件表面的距离的距离调整装置落在本发明范围内，该距离调整装置具有第一调节组件和加法环节，用于在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离的第一应有值和用于激光加工头到工件表面的距离的第二应有值和检测到的与激光加工头到工件表面的距离有关的距离参量或一与该距离参量有关的参量被提供给第一调节组件，其中，第二应有值至少包括沿垂直于工件表面的方向的第一分量，在加法环节中第一应有值和第二应有值或第二应有值的第一分量被相加。利用这种距离调整装置能够对激光加工头到工件表面的不同原因的距离变化做出反应，并且尤其可以确保加工点始终在工件表面上的正确位置处。

在这种组件中，可以根据距离变化的原因来考虑激光加工头到工件的距离的变化。因此可以免去补偿工艺原因引起的切割距离变化。

可以设置校正参量求取装置，向该校正参量求取装置提供第二应有值和检测到的、激光加工头到工件表面的距离，尤其是与激光加工头到工件表面的距离有关的距离参量或一与该距离参量有关的参量。在此，检测到的、激光加工头到工件表面的距离可以例如在垂直于工件表面的方向上测量或检测。替代地可以想到，在激光加工头的射束方向上检测激光加工头到工件表面的距离。

此外可以设置延迟环节，该延迟环节在第二应有值被提供给校正参量求取装置之前延迟第二应有值。由此确保，校正参量求取装置具有正确的新的应有值并且求取正确的校正值。由此可以最大程度避免调节中的过冲和下冲。

优选，设置用于检测从激光头到工件表面的距离的检测装置。

校正参量求取装置的输出值可以被提供给加法环节。因此可以通过加法环节考虑校正参量以及第一和第二应有值并且随后将其应用到调节组件、特别是第一调节组件中。

校正参量求取装置的输出可以在第一调节组件的输出端处被提供给加法环节，第一调节组件的执行参量也被提供给该加法环节。由此可以对调节段进行非常快速的干预。尤其可以基本上桥接第一调节组件。

此外可以设置第二调节组件，向该第二调节组件提供用于工件表面上的加工点到激光加工头的距离的第三应有值和第二应有值或第二应有值的在与第三应有值相同方向上的第二分量。因此也可以调节工件表面上的加工点到激光加工头的距离。

此外可以设置分量求取装置，第二应有值被提供给该分量求取装置并且该分量求取装置求取第二应有值的被提供给第二调节组件的分量。例如，第二应有值可以乘以一个三角函数，根据在哪个方向上预给定第二应有值而定。该三角函数在此可以考虑激光加工头的放置角度。

第一和/或第二调节组件可以具有位置调整器。

此外可以规定，第一和/或第二调节组件具有先导控制装置。因此，例如可以通过先导控制考虑由于应有值变化引起的变化，而由于工件偏离应有轮廓而引起的变化可以通过调节来考虑。例如可以通过先导控制装置求得应有速度。这使得可以考虑由于应有值变化走势而预计的执行参量要求。因此可以在不损害系统稳定性的情况下改善引导行为。

此外，调节组件可以具有用于检测调节参量的检测单元。检测单元尤其可以构造为由于电容性地检测激光加工头到工件、特别是到工件表面的距离。

该距离调整装置也可以在例如5轴或6轴机床上使用。在这种情况下则还需要类似于Y轴调节组件的附加调节组件，并且角度β相应于X，Y和Z坐标中的空间角度，而不再相应于X-Z平面中的角度。

本发明范围还包括一种用于调整激光加工头到待加工工件的工件表面的距离的计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品包括至少一个非易失性计算机可读存储介质，在所述存储介质上带有存储的程序代码，其中，该程序代码包括：

用于接收用于在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离的应有值的程序代码；

用于接收用于激光加工头到工件表面的距离的应有值的程序代码，其中，该第二应有值至少包括在垂直于工件表面的方向上的第一分量；

用于求取校正参量的程序代码；和

用于调节在垂直于工件表面的方向上激光加工头到工件表面的距离的程序代码。

附图说明

从下面参考示出本发明基本细节的附图对本发明的实施例所做的详细说明中以及从权利要求中得知本发明的其他特征和优点。在附图中所示的特征不必按比例理解，而是呈现为使得能够明显看出本发明的特别之处。各种不同的特征可以分别单个地或多个任意组合地在本发明的变型方案中实现。

在示意图中示出了本发明的实施例，在下面的说明书中更详细地解释。

在附图中：

图1示意性地示出了激光加工头，用其加工工件，

图2示出了用于调整相对于工件表面倾斜定向的激光加工头的距离的组件，

图3示出了用于调整相对于工件表面倾斜定向的激光加工头的距离的另一组件。

具体实施方式

图1示意性地示出了构造为激光切割头的激光加工头1。激光加工头1以放置角度α相对于工件3的工件表面2的法线倾斜地定向。这意味着，在射束方向上的加工距离4具有在X方向上、即平行于工件表面2的分量和在Z方向上、即垂直于工件表面2的分量。激光加工头1到工件表面2具有距离5。在这里，在该实施例中，工件3的和激光加工头1(作为例如在X，Y和Z方向上具有多个机器轴的激光加工机的一部分)的坐标系相对应。

工件3与应有轮廓有偏差。工件3的应有轮廓将在位置2a处具有工件表面。相应地，激光加工头将位于虚线所示的位置1a处，以便调整被作为应有值预给定的加工距离4a。因为实际的工件表面2与根据参考数字2a的应有位置有偏差，所以激光切割头1也被不同地定位，以便调整加工距离的应有值。由此产生轮廓偏差6。

在图2的实施例中，首先认为，工件3沿着激光加工头1的坐标系的X方向并且尤其也沿着Y方向延伸，并且工件表面2的应有位置2a相当于激光加工头1的坐标系中的Z＝0的位置，使得激光加工头1(或者说对应的机器轴)的第一应有值Z_soll刚好相当于激光加工头1到工件表面2的应有位置2a的距离5。

图2示出距离调整装置10，由插补器11向该距离调整装置提供用于在垂直于工件表面的方向上激光加工头1到工件表面2的距离的第一应有值Z_soll。在此，插补器11从NC程序中读取第一应有值。

借助于工艺控制器12，为距离调整装置10提供用于激光加工头1到工件表面2的距离的第二应有值d_soll。第二应有值d_soll至少具有在垂直于工件表面2的方向的第一分量。首先将第二应有值d_soll提供给延迟环节13，第二应有值从那里到达校正参量求取装置14。校正参量求取装置14具有计算环节15，在那里，从延迟的第二应有值d_soll或其第一分量减去由检测装置16测量或求得的距离值d_ist。计算环节15的输出值到达数控装置17，数控装置输出校正参量，该校正参量被提供给第一调节组件20的加法环节18。还向加法环节18提供第一应有值Z_soll和第二应有值d_soll。理想地，来自校正参量求取装置14的校正参量等于零，使得不必补偿这方面的误差。第一调节组件20具有先导控制装置21，特别是带有前馈环节22的速度先导控制装置。第一调节组件20还具有延迟环节23，该延迟环节阻止位置调节器24与先导控制装置21相抵地工作。

在第一调节组件20的输出端上还设置有加法环节25，向该加法环节直接提供校正参量求取装置14的输出值。因此，由校正参量求取装置14生成自己的应有值，通过该应有值可以对所述调节进行快速干预。第一调节组件20的输出值被提供给调节段26，通过该调节段来调整激光加工头1的垂直于工件表面2的距离。该距离Z_ist由上述检测装置16求得，其中，检测装置16将距离值d_ist作为与激光加工头1的垂直于工件表面2的距离Z_ist有关的参量输出。在这种情况下，距离值d_ist可以是距离Z_ist本身。

要注意的是，d_soll和d_ist可以是已经垂直于工件表面给出的，或者被检测出，例如在直接借助对喷嘴到金属工件(如板材或管材)进行电容式距离测量来检测Z_ist时。此时，如果工件在Z＝0处，则d_ist和Z_ist相同。

但是也可以在不垂直于工件表面的另一方向上进行距离测量，例如在激光射束方向的方向上用激光测距仪测量。那么d_ist和d_soll是沿射束方向的距离。在这两种情况下，d_ist都是与距离Z_ist有关的参量。该参量可以被提供给距离调整装置10。

例如也可以想到，相对于工件表面成一角度地检测d_ist，例如在射束方向上，但不直接提供给距离调整装置10，而是仅提供d_ist的垂直分量，即与d_ist有关的参量。

可以根据沿射束方向的距离测量求得垂直于工件表面的距离，因为至少已知激光加工头相对于应有工件表面的角度。

如果例如在激光射束方向的方向上检测d_ist，则d_ist与Z_ist成比例，其中，比例常数与d_ist相对于Z_ist或者说工件表面的垂直线的角度相关。

通过插补器11还从NC程序中读取第三应有参量X_soll并将其提供给距离调整装置10。第三应有值X_soll尤其被提供给第二调节组件30，具体说是加法环节31。还向加法环节31提供第二应有值d_soll的第二分量，其中，该第二分量通过分量求取装置32求得。例如可以对分量求取装置32预给定激光头1的放置角度α，并且可以将第二应有值d_soll乘以三角函数。

第二调节组件30除了加法环节25之外与第一调节组件20类似地构造，并且因此具有带有前馈环节34、延迟环节35和位置调节器36的先导控制装置33。在位置调节器36的输出端上存在执行参量，该执行参量在加法环节37中与先导控制装置33的输出值相加。因此，在加法环节37的输出端上存在校正后的执行参量，其被提供给调节段40。在加法环节37中，调节器36的执行参量被加载以先导控制值。类似地，在第一调节组件中在加法环节27中给位置调节器24的执行参量加上先导控制装置21的先导控制值，使得在加法环节27的输出端处存在校正后的执行参量。

通过第二调节组件30可以调节激光加工头1在平行于工件表面2的方向上到工件表面2上的加工点的距离。检测实际距离X_ist并将其在位置41处提供给第二调节组件30。相应地，在位置28处将值Z_ist提供给第一调节组件20。

如果工件表面2的应有位置2a相对于激光加工头1的坐标系的Z＝0的位置偏移，则必须将到工件表面2的距离5以及Z＝0与工件表面2的应有位置2a的Z位置之间的偏移量一起作为第一应有值Z_soll来提供。

图3示出距离调整装置10'，其大部分相当于图2的距离调整装置10。

带有附加方框50的该调节不仅允许沿机器坐标系(激光加工头的坐标系)的Z方向进行调节，而且还允许沿X-Z方向调节。在图3的情况下，待加工的工件表面的应有位置例如可以在X-Z平面中与X轴成角度γ(例如三维成型的板材的一个区段)，尽管如此，仍然可以调节激光加工头的垂直于工件表面的距离，而不是如图2所示仅在Z方向调节。在这种情况下，分量求取装置32必须将第二应有值d_soll乘以三角函数，激光头1的放置角度α和工件表面的应有位置的角度γ引入到该三角函数中。在这种情况下尤其应将d_soll乘以tan(β)，其中β＝α+γ。因此，在工件坐标系内什么都没有改变：一次沿射束方向调节、一次垂直于表面调节，但必须考虑工件在激光加工头1的(从而机器的)坐标系中旋转了一个角度γ，使得垂直于工件的调节也不是仅在Z方向上、而是在X方向和Z方向上进行。因此，在垂直于工件表面的方向上的第一应有值可以具有在机器坐标系(激光头的坐标系)的不同轴线方向上的分量。因此，必要时从机器坐标系的不同轴线方向上的应有值得出预给定的第一应有值。代替例如从CAD/CAM数据或从示教轨迹(Teach-Bahn)已知的工件表面应有位置，也可以从对工件表面的测量来求得角度γ。

附加地，距离调整装置10例如也可以在5轴或6轴机床上使用。在这种情况下，则还需要类似于用于Y轴的调节组件30的附加调节组件，并且角度β相就应于X，Y和Z坐标中的空间角度，而不再相应于X-Z平面中的角度。

Claims (17)

1.用于调整激光加工头(1)到待加工工件(3)的工件表面(2)的距离的方法，该方法具有以下步骤：

a.预给定用于在垂直于工件表面(2)的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的第一应有值(Z_soll)；

b.预给定用于激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的第二应有值(d_soll)，其中，第二应有值(d_soll)至少包括在垂直于工件表面(2)的方向上的第一分量；

c.检测与在垂直于工件表面(2)的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离(Z_ist)有关的距离参量(d_ist)；

d.将第一和第二应有值(Z_soll，d_soll)和检测到的距离参量(d_ist)或与该距离参量有关的参量提供给距离调整装置(10)，以便在考虑第一和第二应有值(Z_soll，d_soll)以及所述距离参量(d_ist)或与该距离参量有关的参量的情况下调整在垂直于工件表面的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在考虑所述距离参量(d_ist)或与该距离参量有关的参量以及第二应有值(d_soll)的情况下求得校正参量，将所述校正参量如所述第一应有值(Z_soll)一样提供给所述距离调整装置(10)的第一调节组件(20)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将第二应有值(d_soll)提供给所述第一调节组件(20)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述校正参量、所述第一应有值(Z_soll)和所述第二应有值(d_soll)或第二应有值的第一分量相加。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将用于工件表面(2)上的加工点到激光加工头(1)的距离的第三应有值(X_soll)和第二应有值(d_soll)或第二应有值(d_soll)的沿与第三应有值(X_soll)相同方向的第二分量提供给第二调节组件(30)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在考虑所述激光加工头(1)的放置角度(α)的情况下求得所述第二分量。

7.用于调整激光加工头(1)到待加工工件(3)的工件表面(2)的距离的距离调整装置(10)，具有第一调节组件(20)和加法环节(18)，用于在垂直于工件表面的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的第一应有值(Z_soll)和用于激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的第二应有值(d_soll)被提供给所述第一调节组件，其中，所述第二应有值(d_soll)至少包括在垂直于工件表面(2)的方向上的第一分量，并且，检测到的、与激光加工头(1)到工件表面(2)的距离(Z_ist)有关的距离参量(d_ist)或一与该距离参量有关的参量被提供给所述第一调节组件，并且，在所述加法环节中第一和第二应有值或第二应有值的第一分量被相加。

8.根据权利要求7所述的距离调整装置，其特征在于，设置有校正参量求取装置(14)，所述第二应有值(d_soll)和感测到的、与所述激光加工头(1)到所述工件表面(2)的距离有关的距离参量(d_ist)或一与该距离参量有关的参量被提供给所述校正参量求取装置。

9.根据权利要求7或8所述的距离调整装置，其特征在于，设置有延迟环节(13)，所述延迟环节在所述第二应有值(d_soll)被提供给所述校正参量求取装置(14)之前使所述第二应有值延迟。

10.根据前述权利要求7至9中任一项所述的距离调整装置，其特征在于，设置有用于检测距离的检测装置(16)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的距离调整装置，其特征在于，所述校正参量求取装置(14)的输出被提供给所述加法环节(18)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的距离调整装置，其特征在于，所述校正参量求取装置(14)的输出值在所述第一调节组件(20)的输出端处被提供给加法环节(25)，所述第一调节组件(20)的执行参量也被提供给所述加法环节。

13.根据前述权利要求中任一项所述的距离调整装置，其特征在于，设置有第二调节组件(30)，用于工件表面(2)上的加工点到所述激光加工头(1)的距离的第三应有值(X_soll)和所述第二应有值(d_soll)或第二应有值(d_soll)的在与第三应有值(X_soll)相同的方向上的第二分量被提供给所述第二调节组件(30)。

14.根据权利要求13所述的距离调整装置，其特征在于，设置有分量求取装置(32)，第二应有值(d_soll)被提供给所述分量求取装置并且所述分量求取装置求取第二应有值(d_soll)的被提供给所述第二调节组件(30)的分量。

15.根据前述权利要求中任一项所述的距离调整装置，其特征在于，所述第一和/或第二调节组件(20、30)具有位置调节器(24、36)。

16.根据前述权利要求中任一项所述的距离调整装置，其特征在于，所述第一或第二调节组件(20、30)具有先导控制装置(21、33)。

17.用于调整激光加工头(1)到待加工工件(3)的工件表面(2)的距离的计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品包括至少一个非易失性计算机可读存储介质，在所述存储介质上带有存储的程序代码，其中，所述程序代码包括：

用于接收用于在垂直于工件表面(2)的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的应有值(Z_soll)的程序代码；

用于接收用于激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的应有值(d_soll)的程序代码，其中，该第二应有值(d_soll)至少包括在垂直于工件表面(2)的方向上的第一分量；

用于求取校正参量的程序代码；和

用于调节在垂直于工件表面(2)的方向上激光加工头(1)到工件表面(2)的距离的程序代码。