CN116669891A - 用于激光切割工件和生产工件零件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于激光切割工件(12)和生产工件零件的装置(10；100)和对应的方法。装置具有切割头(20)，该切割头(20)具有激光束光学器件(28)，在该激光束光学器件(28)中设置有动态激光束运动单元(30)。装置具有用于执行激光束在工件上的运动的切割头运动单元(32)和控制单元(34)。控制单元具有：确定模块(36)，该确定模块(36)用于根据至少一个预定轮廓确定激光束的至少一个运动轨迹；存储器单元(38)，能够从该存储器单元(38)中检索选自切割头运动单元的运动参数、激光束运动单元的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数的至少一个预定参数；以及优化模块(40)，该优化模块(40)用于基于能够从存储器单元(38)中检索的至少一个预定参数，通过将激光束经由切割头(20)的运动与激光束经由激光束运动单元(30)的高频光束成形运动叠加来调节运动轨迹。

Description

用于激光切割工件和生产工件零件的装置和方法
本发明涉及用于激光切割工件和生产工件零件的装置、用于激光切割工件和生产工件零件的方法以及计算机程序产品和计算机可读介质。
激光加工装置用于工件的激光加工、特别地在用于借助于激光束进行的材料的热分离、比如激光切割的方法中使用。在许多情况下，激光加工头用于将加工激光束引导到工件上，例如引导到待加工的金属板上。激光加工头通常借助于经由致动器操作的机械轴在轨迹上、特别地沿X方向和Y方向在工件上被引导。此外，在加工装置中，加工激光束的光学轴线可以借助于致动器相对于激光加工头的出口孔口的中央轴线移动。
存在使致动器在加工装置中相互作用的各种方法、比如在EP1758003B1、US4532402 A、EP0815499 B1、EP1838486 B1、“Set Point Opitimization for MachineTools(针对机床的设定点优化)”，ETHZ,T.Haas，2018年以及US5109148 A中描述的那些方法。这些方法涉及加工装置，其中，与激光切割装置相比，更低的质量由致动器移动和/或更低的功率用于加工工件。此外，存在用以表征机床的动力学特性的机器模型，如例如在“Modellbildung und Simulation hochdynamischer Fertigungssysteme,einepraxisnahe Einführung(高动态制造系统的建模与仿真，实用介绍)”，O.Zirn和S.Weikert，2006年以及进一步的N.Lanz、D.Spescha、S.Weikert和K.Wegener，“EfficientStatic and Dynamic Modelling of Machine Structures with Large Linear Motions(具有大型线性运动的机器结构的有效静态和动态建模)”，International Journal ofAutomation Technology(国际自动化技术杂志)，第12卷，第622-630页，2018年中所描述的。此外，用于估计表面缺陷和/或与激光工艺相关的工件质量特性的模型是已知的，例如参见D.,Walter B，“Theoretisches Modell der Riefenbildung beimLaserschneiden(激光切割中划痕形成的理论模型)”，载于：Waidelich W.Laser(激光)/Optoelektronik in der Technik(光电技术)/Laser(激光)/Optoelectronics inEngineering(光电工程)，Springer，Berlin，Heidelberg，1986年；M.Brügmann,M.Muralt,B.Neuenschwander,S.Wittwer和T.Feurer，“Atheoretical model for reactive gaslaser cutting of metals(金属反应气体激光切割的理论模型)”，Lasers inManufacturing Conference(制造业激光会议)，2019年；以及M.Brügmann,M.Muralt,B.Neuenschwander,S.Wittwer und T.Feurer，“Optimization of Reactive Gas LaserCutting Parameters based on a combination of Semi-Analytical modelling andAdaptive Neuro-Fuzzy Inference System(ANFIS)(基于半分析建模和自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的组合的反应气体激光切割参数优化)”，Lasers in ManufacturingConference(制造业激光会议)，2019年。
当激光加工工件时，可能期望根据加工过程和/或根据工件、例如根据待切割的金属片材的厚度和材料使用不同的激光束。一些可商业获得的激光加工头为来自激光源的激光束提供不可变的光学成像比。然而，在实践中，这种类型的成像必须被视为折衷方案，尤其是在激光切割中：固定成像与切割质量的损失、尤其是与生产的工件零件的质量的损失、即表面粗糙度和毛刺粘附的损失相关联以及与较低的进给速率、尤其是与用于中型到大型金属片材厚度的进给速率相关联。近年来，已经开发了用于激光加工头的变焦光学器件，以使聚焦激光束的斑点尺寸适于相应的应用。例如，在使用切割头的激光切割中，聚焦激光束的斑点尺寸适于金属片材厚度和片材的材料。在使激光束工具适于加工过程方面更进一步的方法是其中激光束的强度分布和/或光束质量、例如光束参数乘积(BPP)也可以适于激光应用的方法。在这个方向上的各种解决方案例如从US 8781269 B2、US 9250390B2、US9346126B2、EP 2730363A1、EP2762263 A1、DE2821883B1、DE 102015116033 A1、EP 2778746B1、DE 102015101263A1、DE102008053397 B4中已知。
高频光束振荡是动态光束成形(DBS)的技术中的一个技术。在该过程中，激光束或在聚焦的激光束的情况下其焦点以例如100Hz至10kHz的频率移动，特别地垂直于激光束的传播方向移动。以这种方式，激光束的几乎任何强度分布都可以利用集成在激光加工头中的DBS系统产生。这使得例如可以在激光切割金属片材时，在适应相应的金属片材厚度和/或片材质量方面实现有利的灵活性。DBS系统的动态特性、比如速度和加速度是相当重要的，例如比激光加工装置的机械轴的动态特性高1000倍或更多。由于激光加工头的出口孔口的小直径和DBS系统的有限光束偏转，因此DBS系统的工作范围很小、例如为几百微米至几毫米。使用适于DBS系统的激光工具可以实现更好的切割结果，参见例如Wetzig等：FastBeam Oscillations Improve Laser Cutting of Thick Materials(快速光束振荡改善厚材料的激光切割)，State of the Art and Outlook，PhotonicsViews(技术现状与展望，光子学观点)，3/2020；Goppold等：Chancen und Herausforderungen der dynamischenStrahlformung，Deutscher Schneidkongress(动态光束成形的机遇与挑战，德国切割大会)，2018年；Goppold等：Dynamic Beam Shaping Improves Laser Cutting of ThickSteel Plates(动态光束成形改善厚钢板的激光切割)，Industrial Photonics(工业光子学)，2017年；Goppold等：Laserschmelzschneiden mit dynamischer Strahlformung(具有动态光束成形的激光熔融切割)，Fraunhofer IWS Jahresbericht(弗劳恩霍夫IWS年度报告)，2015年；Mahrle等：theoretical aspects of fibre laser cutting(光纤激光切割的理论方面)，Journal of Physics D Applied Physics(物理学杂志D应用物理学)，2009年；https://www.iws.fraunhofer.de/en/pressandmedia/press_releases/2016/press_release_2016-15.html。Fraunhofer IWS Dresden已经表明，梢部倾斜的压电平台扫描仪系统似乎特别适合动态光束成形(C.Goppold等，“Tip-Tilt piezo platform scannerqualifies dynamic beam shaping for high laser power in cutting applications(梢部倾斜的压电平台扫描器为切割应用中的高激光功率提供动态光束整形的资格)”，LIMKonferenz，Munich June 2019)。在此，大约1英寸大的镜联接至作为致动器的压电驱动器，该压电驱动器以高度动态的方式移动镜。
激光切割装置的机械轴在X方向和Y方向上的工作范围大，机械轴的动力学小，例如分别为1m/s和10m/s^2。由于机械轴的动态极限，当在要生产的工件零件的拐角和小半径中进行激光切割时，切割头运动的速度通常会降低。机械轴的动态极限通常被有意地选择为比物理上可能的更小，以便减少待切割的工件零件的轮廓方面的误差、即所谓的轮廓误差。然而，这需要用于激光切割过程明显更多的时间，并且显著降低了激光切割装置的生产率。为了防止不得不大幅降低切割头的运动速度，可以对待切割的几何形状或切割头的轨迹施加圆度，尤其是在工件零件的拐角和小半径处施加圆度。然而，圆度可能导致作为与工件的目标轮廓的偏差的不期望的轮廓误差。
US 2020/398373 A1公开了一种用于使电磁波束成形的光学装置，该光学装置具有光学元件和激励器装置，光学元件位于光束传播方向内，激励器装置在功能上连接至光学元件，以用于沿着焦点振荡路径引起焦点在x方向和垂直于光束传播方向的平面的任意方向中的至少一个方向上的振荡。EP 3747588 A1公开了一种用于在加工区域中对工件进行激光加工的加工装置，该加工装置具有至少一个固定的激光束导引装置，该激光束导引装置具有至少一个可移动表面，所述至少一个可移动表面能够调节成使得所述至少一个可移动表面在至少一个操作模式下改变光学系统的焦距和/或时间积分的加工激光束的光束参数乘积。DE 102018220336 A1描述了一种用于光束成形的装置。第二光学偏转元件设计成使激光束在工件表面上的冲击点移位，并且第一光学偏转元件设计成通过平移运动使激光束的焦平面相对于工件表面定位和/或改变激光束的光束横截面内的强度分布。DE102019120830 A1公开了一种用于导引激光束的导引装置，该导引装置包括用于沿着轨迹导引激光束的激光焦点的偏转单元，所述偏转单元包括布置在激光束的光束路径中的至少一个可移动光学元件并且用于使激光束偏转，并且包括用于对所述至少一个可移动光学元件进行控制的控制单元，所述控制单元包括用于规划激光焦点的轨迹的轨迹规划程序。由此，在其拐角或角度处产生激光焦点轨迹的圆度，由此减小实际轨迹与目标轨迹的偏差。EP2303502 B1涉及一种用于利用激光束切割工件的装置。在装置中，激光束借助于至少一个反射性的可枢转元件二维地偏转，并且使用聚焦的光学器件通过切割喷嘴与切割气体一起被引导到工件的表面上。工件与激光束之间的双轴相对运动是利用容置在切割头中的元件来实现的。US 2020/246920 A1公开了一种激光切割装置，该激光切割装置包括对激光加工机器人和激光振荡器的操作进行控制的控制单元。
本发明的目的是提供一种用于激光切割和用于生产工件零件的装置和方法，该装置和方法能够实现切割工件零件的高生产率和高质量、特别是轮廓精度。
该目的通过根据权利要求1的用于激光切割工件和生产工件零件的装置、根据权利要求12的用于激光切割工件和生产工件零件的方法以及根据权利要求21的计算机程序产品和根据权利要求22的计算机可读介质来实现。
本发明的一个实施方式涉及一种用于激光切割工件、优选地是由至少一种金属制成或包含至少一种金属的工件和生产工件零件的装置，该装置包括切割头。切割头具有用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW、更优选地为1kW至40kW的加工激光束的激光源所用的接口、用于加工激光束的出口孔口以及位于接口与出口孔口之间的激光束光学器件。激光束光学器件具有至少一个动态激光束运动单元，所述至少一个动态激光束运动单元用于产生加工激光束的至少垂直于其传播方向的高频光束成形运动。用于激光切割的装置设置有：切割头运动单元，该切割头运动单元用于执行加工激光束经由切割头在工件上的运动；以及控制单元，该控制单元用于对切割头运动单元和激光束运动单元进行控制。控制单元具有：
-确定模块，该确定模块用于根据要生产的工件零件的至少一个预定轮廓确定加工激光束在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹；
-存储器单元，可以从该存储器单元检索选自以下各者的至少一个预定参数：切割头运动单元的运动参数、激光束运动单元的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数；以及
-优化模块，该优化模块用于基于能够从存储器单元中检索的至少一个预定参数，通过将加工激光束经由切割头的运动与加工激光束经由激光束运动单元的高频光束成形运动叠加来调节运动轨迹。
因此，优化模块可以配置成用于通过在切割头运动单元与激光束运动单元之间冗余地划分加工激光束的运动轨迹来优化加工激光束在至少一个工件平面中的运动轨迹。这是由于以下事实，通过实施方式的装置，加工激光束在至少一个工件平面中的运动轨迹可以基于选自以下各者的至少一个预定参数通过将激光束的运动轨迹的分量重新分配给切割头运动单元的慢速机械轴和/或通过将激光束的运动轨迹的分量重新分配给至少一个快速动态激光束运动单元而被重新组织：切割头运动单元的运动参数、激光束运动单元的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数。由此，加工激光束的运动轨迹可以至少在其中实际切割轮廓与目标轮廓发生偏差的区域处沿着其长度精准地、灵活地和/或连续地或不连续地改变和/或变化，并且因此得到优化。因此，与将加工激光束经由切割头在工件上的运动和加工激光束至少垂直于其传播方向的高频光束成形运动的简单叠加相比，加工激光束的运动轨迹得到了决定性改进。
优化模块可以配置成用于调节、例如增加或减少和/或用于优化选自切割头运动单元的运动参数、激光束运动单元的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数的至少一个参数和/或因此用于预先确定相应的参数。由此，相应的其他至少一个参数中的至少一个参数可以被优化和/或因此被预先确定。例如，切割头运动单元的至少一个圆度公差和/或切割头运动单元的至少一个动态极限可以被调整、例如被增加。由此，动态激光束运动单元的运动参数可以被调整和/或优化，以便优化加工激光束的最终运动轨迹。因此，加工激光束的运动轨迹可以例如在预定轮廓的角度或半径处被有目的地优化，以避免在切割轮廓的相应角度或半径处的不期望的圆度。因此，根据该装置和利用该装置执行的方法的实施方式，不仅减少了激光束的实际轨迹与目标轨迹的偏差，而且减少了实际切割轮廓与目标轮廓、即与预定轮廓的偏差，从而允许产生例如锐角或半径。
上述实施方式的装置使得加工激光束的运动轨迹能够基于至少一个预定参数使用优化模块来优化，并且能够在激光切割期间执行。由切割头运动单元和激光束运动单元触发的加工激光束的运动是同步的，并且因此彼此重叠。通过在切割头运动单元与激光束运动单元之间冗余地划分加工激光束的运动轨迹，可以实现优化的运动轨迹。这意味着，例如，运动轨迹的性能在切割头运动单元的机械轴与激光束运动单元的DBS系统之间被划分和/或重新分配，切割头运动单元的机械轴和激光束运动单元的DBS系统中的每一者均使用致动器以使加工激光束沿X方向和Y方向移动。考虑到至少一个预定参数，运动轨迹与对应于要生产的工件零件的预定轮廓的理想运动轨迹、比如切割计划的不期望的偏差可以以这种方式补偿和/或避免。例如，可以减少或避免由切割头运动单元的动力学和/或要生产的工件零件的轮廓误差和/或表面缺陷比如刻痕、表面粗糙度或粘附毛刺引起的切割头运动单元的路径偏差。此外，由于优化的运动轨迹意味着切割头的速度不需要在要生产的工件零件的拐角和小半径处降低，因此可以在时间上缩短切割过程。可以补偿由轴线误差和/或切割头运动单元的振动导致的TCP(工具中心点、激光斑点)与目标轮廓之间的偏差，并且减少在工件上所产生的轮廓误差。这特别适用于动态引起的轮廓误差(在TCP处)，这是由于用于激光切割的装置的移动部件的质量和顺应性造成的。此外，可以优化切口宽度。当使用切割气体时，优化的运动轨迹也可以用于改进在切割期间产生的熔体从切口的排出。
因此，通过组合切割头运动单元的有利特性、特别是其大的工作范围和激光束运动单元的有利特性、特别是其高动力学，优化模块可以提高用于激光切割的装置的生产率，以及改善激光切割的精度、切割质量和所生产的工件零件的质量。例如，具有集成的DBS系统的高性能激光切割头和激光切割装置的机械轴可以经由其CNC(计算机数控)或PLC(可编程逻辑控制器)控制/控制器组合成使得对于激光束工具产生如上所述的冗余运动分布。利用通过机械轴和DBS系统的组合而成为可能的这种冗余的优点，可以改进用于激光切割的方法。
因此，通过该装置和利用该装置执行的方法的实施方式，可以实现以下效果中的至少一个效果：可以补偿实际切割轮廓与目标轮廓的偏差，该偏差被估计或测量。通过有目的地增加切割头运动单元在预定轮廓的角度或半径处的圆度公差，可以在角度或半径处实现更高的运动速度，并且可以使用动态激光束运动单元来补偿与预定轮廓的结果偏差。通过有目的地增加切割头运动单元的动态极限、例如加速度，可以实现每个要生产的零件的减少的加工时间，并且可以使用动态激光束运动单元来补偿与预定轮廓的结果偏差。加工激光束的运动轨迹可以通过切割头运动单元与动态激光束运动单元之间的运动轨迹的划分、特别是修改和/或优化的划分进行重组、特别是优化。
在实施方式中，在利用确定模块确定运动轨迹的同时，可以执行利用优化模块对加工激光束的运动轨迹的调节。替代性地，确定模块可以用于根据工件零件的至少一个预定轮廓或预定轮廓的各部段来确定加工激光束的完整运动轨迹，该完整运动轨迹基于至少一个预定参数使用优化模块来调节。这些变型也可以相互组合。
根据实施方式，至少一个预定参数可以包括质量优化参数、即与要生产的工件零件的质量相关的参数、特别是切割轮廓与预定轮廓的偏差参数和/或轨迹优化参数、即与加工激光束的运动轨迹相关的参数、特别是切割头运动单元的运动参数和/或激光束运动单元的运动参数。根据另外的实施方式，切割头运动单元的运动参数可以包括和/或至少部分源于切割头的质量和/或切割头运动单元的一个或更多个惯性部件、例如机械轴的质量和/或至少部分地由切割头的质量和/或切割头运动单元的一个或更多个惯性部件、例如机械轴的质量。此外，动态激光束运动单元的运动参数可以包括可动态移动的光学元件的质量和/或至少部分源于可动态移动的光学元件的质量。切割头和切割头运动单元的惯性部件的总质量可以在200kg至500kg的范围内，切割头的质量可以在15kg至20kg的范围内，以及/或者可动态移动的光学元件的质量可以在7g至30g的范围内。
利用动态激光束运动单元，可以至少垂直于加工激光束的传播方向执行加工激光束的高频光束成形运动。特别地，可以执行加工激光束的高频振荡。在聚焦的加工激光束的情况下，加工激光束的焦点可以至少垂直于其传播方向以这种方式在高频下移动和/或振荡。利用装置的实施方式，加工激光束可以至少部分地以10Hz至15kHz之间的频率移动，优选地以100Hz至10kHz之间的频率移动。例如，动态激光束运动单元可以包括使加工激光束偏转的可动态移动的偏转装置以及/或者对加工激光束进行光学成像的可动态移动的光学单元。
动态激光束运动单元可以包括至少一个可动态移动的光学元件。此外，动态激光束运动单元可以包括至少一个致动器。至少一个光学元件能够利用至少一个致动器至少部分地动态移动和/或调节。根据实施方式，光学元件可以包括选自以下各者的至少一个元件：透镜、聚焦透镜、准直透镜、光纤、特别是光纤端部、用于光纤的联接器、光纤的端盖、镜、偏转镜、分段镜、具有至少一个可变形表面的镜及其组合。根据实施方式，致动器可以包括选自以下各者的至少一个元件：压电致动器、电动马达、气动马达、石英晶体振荡器、偏心器、用于产生振荡电磁场的装置、MEM(微机电系统)振荡器、音圈、可静电移动的致动器、其多个和/或其组合。例如，具有至少一个可变形表面的镜可以是选自以下各者的至少一个元件：利用至少一个压电致动器可变形的镜、可变形的双压电晶片镜、基于MEMS或MOEMS可变形的镜和基于音圈可变形的镜。根据另一实施方式，可以提供至少一个镜，该镜可以绕与镜的反射平面形成角度的轴线旋转，并且该镜能够定向成使得该角度大于或小于90°。这允许设置镜的倾斜角度，并且倾斜的镜能够绕其轴快速旋转，例如以100Hz至10kHz的频率旋转。如果角度设定为不等于90°，则激光束描述了圆形运动。
根据实施方式，可以在接口处设置用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW、更优选地为1kW至40kW的加工激光束的激光源。
根据实施方式，切割头运动单元的运动参数可以是以下各者中的至少一者：切割头运动单元的动态极限、切割头运动单元在预定轮廓的角度处的圆度公差以及切割头运动单元在预定轮廓的半径处的圆度公差。激光束运动单元的运动参数可以是选自以下各者的至少一个参数：激光束运动单元的动态极限以及可以利用激光束运动单元产生的加工激光束的最大运动幅度。切割轮廓与预定轮廓的偏差参数可以是以下各者中的至少一者：估计的偏差、由测量的偏差产生的参数、切割轮廓在预定轮廓的角度处的圆度、切割轮廓在预定轮廓的半径处的圆度、切割边缘的估计的表面缺陷以及由切割边缘的测量的表面缺陷产生的参数。基于上述参数中的一个或更多个参数，加工激光束的运动轨迹可以通过优化模块来调节，并且因此得到优化。这可以通过在切割头运动单元与激光束运动单元之间适当地划分加工激光束的运动轨迹来实现。以这种方式，可以实现切割头运动单元的优化运动，特别是切割头运动单元的机械轴的优化运动。此外，可以减少或避免要生产的工件零件的轮廓误差。
在实施方式中，优化模块可以被设计成基于切割头运动单元的至少一个增加的圆度公差来调节运动轨迹。优化模块还可以设计成补偿由至少一个增加的圆度公差导致的切割轮廓与预定轮廓的偏差、特别是大的偏差。这允许加工激光束在要生产的工件零件的拐角和小半径中以增加的速度经由切割头运动单元移动。这意味着每个工件零件的激光切割过程所需的时间大大减少，并且用于激光切割的装置的生产率显著增加。
根据一个实施方式，存储器单元可以存储机器模型，该机器模型表示移动切割头的运动学行为，并且估计作为切割头运动单元的运动参数的切割头运动的状态数据和作为另一参数的切割轮廓与预定轮廓的结果偏差，并且其中，优化模块与存储器单元进行数据通信以用于读取机器模型。例如，可以在TCP处以基于模型的方式估计轮廓误差，并且在此基础上，可以通过优化模块调节运动轨迹。
在实施方式的改型中，特别地在前述实施方式的改型中，优化模块可以设计成基于切割头运动单元的至少一个增加的动态极限来调节运动轨迹。优化模块还可以设计成补偿由所述至少一个增加的动态极限导致的切割轮廓与预定轮廓的偏差。特别地，由于所述至少一个增加的动态极限，轮廓误差可能增加。因此，放大的轮廓误差可以通过装置和/或方法的实施方式来减小或消除。此外，可以以这种方式提高用于激光切割的装置的生产率。
根据实施方式，存储器单元可以存储过程模型，该过程模型表示激光切割过程，并且估计作为参数的激光切割过程的状态数据和切割轮廓与预定轮廓的结果偏差，并且其中，优化模块与存储器单元进行数据通信以用于读取过程模型。特别地，可以估计对应的实际状态数据与对应的目标状态数据之间的偏差。以这种方式，可以由优化模块计算并考虑最佳过程参数比如激光功率、切割速度、切割气体的气体压力以及从出口孔口到工件的距离，以调节运动轨迹。通过使用该过程模型，可以特别地提高切割质量。特别地，具有过程模型的实施方式和具有机器模型的实施方式的组合导致有益效果。将过程模型与机器模型结合使得从优化模块获得的优化的过程参数能够例如以毫秒间隔在本地可用。以这种方式，可以为一个且相同的工件零件计算不同的优化过程参数。
在其他实施方式中，控制单元可以具有预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库，并且激光束运动单元可以设计成引起加工激光束的焦点在呈基于数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。因此，与优化的运动轨迹相结合，可以额外提高切割质量，尤其是较高厚度、特别是厚度为3mm或更大的工件的切割质量。
此外，以数据传输的方式连接至存储器单元的检测器装置可以设置在切割头上或切割头中、特别地设置在另一接口处，以用于测量作为切割轮廓与预定轮廓的偏差参数的切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕。以这种方式，可以测量所生产的工件零件的至少一个切割边缘的表面缺陷、比如刻痕和粘附毛刺，并且在优化运动轨迹时，可以由优化模块考虑得到的参数。特别地，可以确定对应的实际状态、即测量结果与对应的目标状态、即预定轮廓之间的偏差。在此基础上，可以补偿在切割期间出现的表面缺陷、比如在热切割期间产生的刻痕。
在实施方式中，用于估计切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕的模型可以存储在存储器单元中，该模型估计作为参数的表面缺陷和切割轮廓与预定轮廓的结果偏差，并且其中，优化模块与存储器单元进行数据通信，以便读取用于估计表面缺陷的模型。特别地，可以估计对应的实际状态数据与对应的目标状态数据之间的偏差。因此，基于对切割边缘的表面缺陷、比如刻痕和粘附毛刺的估计，当优化运动轨迹时，可以由优化模块确定并考虑得到的参数。这是补偿在切割期间出现的表面缺陷、比如在热切割期间产生的刻痕的另一种方式。
在实施方式中，当调节运动轨迹时，优化模块可以考虑将加工激光束的光学轴线与激光加工头的出口孔口的中央轴线的距离作为预定参数。该距离可以暂时地或永久地设定并且/或者是恒定的或可变的。光学轴线相对于出口孔口的中央轴线的距离的调节可以例如分配给动态激光束运动单元并由动态激光束运动单元实现。以这种方式，加工激光束在拐角和小半径中的运动轨迹可以有利地用于优化质量。
在另外的实施方式中，当调节运动轨迹时，优化模块可以考虑将由激光束运动单元在工件零件上产生的表面纹理作为预定参数。由于由表面结构产生较大的表面积，因此这在下游加工过程、比如产生粘合剂结合的过程中可能是有利的。
在另外的实施方式中，当调节运动轨迹时，优化模块可以考虑将调节的、特别是优化的切口宽度作为预定参数。例如，切口宽度可以调节成工件的厚度、气体射流的尺寸、切割头的出口孔口的尺寸和/或要生产的工件零件彼此之间或与工件下脚料或工件残余物的距离。切口宽度的调节可以例如分配给动态激光束运动单元并由动态激光束运动单元实现。这允许由切割气体进行的熔体排出得到优化，例如通过将加工激光束的直径、特别是焦点的直径调节成切割气体射流的直径和/或切割头的出口孔口的尺寸而得到优化。
在实施方式中，当调节运动轨迹时，优化模块可以考虑将预先确定的切口宽度作为预定参数。例如，在激光切割期间，切口宽度可以至少部分地保持恒定。设定和/或保持预先确定的、即限定的切口宽度可以例如分配给动态激光束运动单元并由动态激光束运动单元实现。限定的切口宽度可以简化所生产的工件零件的卸载，例如在使用自动卸载系统时简化所生产的工件零件的卸载。此外，可以实现期望的切口宽度与激光加工时间之间的折衷。
在另外的实施方式中，当调节运动轨迹时，优化模块可以考虑将变化的切口宽度作为预定参数。以这种方式，可以实现的是，对变化的切口宽度，例如切口宽度的不期望的波动进行补偿。此外，可以以这种方式对工具校正进行补偿。此外，在切割期间在工件上产生的熔体区域的尺寸和/或厚度可以保持基本恒定。对变化的切口宽度的补偿可以例如分配给动态激光束运动单元并由动态激光束运动单元实现。例如，出于此目的，激光束运动单元可以设计成引起加工激光束的焦点在呈Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡，并且设计成改变Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的尺寸。
另一实施方式涉及根据上述实施方式和改型中的一者的用于激光切割工件、特别是由至少一种金属制成或包含至少一种金属的工件的装置的用途。
本发明的一个实施方式涉及一种用于利用根据上述实施方式和改型中的一者的用于激光切割工件和生产工件零件的装置激光切割工件、优选地是由至少一种金属制成或包括至少一种金属的工件和生产工件零件的方法，其中，在接口处设置有用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的加工激光束的激光源，其中，该方法包括以下步骤：
-借助于控制单元的确定模块，根据要生产的工件零件的至少一个预定轮廓，确定加工激光束在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹；
-借助于控制单元的优化模块，基于能够从存储器单元中检索的至少一个预定参数，通过将加工激光束经由切割头的运动与加工激光束经由动态激光束运动单元的高频光束成形运动叠加来调节运动轨迹；
-产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的加工激光束，并且利用加工激光束切割工件；以及
-根据调节后的运动轨迹，使加工激光束经由切割头在工件上移动，并且经由激光束运动单元执行加工激光束至少垂直于其传播方向的高频光束成形运动。
调节可以包括通过在切割头运动单元与激光束运动单元之间冗余地划分加工激光束的运动轨迹来优化运动轨迹。选自切割头运动单元的运动参数、激光束运动单元的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数的至少一个参数可以被调节、例如增加或减少和/或被优化并且/或者因此被预先确定。由此，相应的其他参数中的至少一个参数可以被优化并且/或者因此被预先确定。例如，调节和/或优化可以包括增加切割头运动单元的至少一个圆度公差和/或切割头运动单元的至少一个动态极限。由此，动态激光束运动单元的运动参数可以被调整和/或优化，以便优化加工激光束的最终运动轨迹。
在该方法的实施方式中，调节可以基于切割头运动单元的至少一个增加的圆度公差来执行。调节还可以包括补偿由至少一个增加的圆度公差导致的切割轮廓与预定轮廓的偏差。
根据该方法的一个实施方式，存储器单元可以存储机器模型，该机器模型表示移动切割头的运动学行为，并且估计作为切割头运动单元的运动参数的切割头运动的状态数据和作为另一参数的切割轮廓与预定轮廓的结果偏差，并且其中，调节包括将机器模型从存储器单元读取到优化模块中。
在实施方式中，特别是在上述实施方式中，调节可以基于切割头运动单元的至少一个增加的动态极限来执行。调节还可以包括补偿由至少一个增加的动态极限导致的切割轮廓与预定轮廓的偏差。
在该方法的另外的实施方式中，存储器单元可以存储过程模型，该过程模型表示激光切割过程并且估计作为参数的激光切割过程的状态数据和切割轮廓与预定轮廓的结果偏差，并且其中，调节包括将过程模型从存储器单元读取到优化模块中。特别地，可以估计对应的实际状态数据与对应的目标状态数据之间的偏差。
在该方法中，控制单元可以具有预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库，并且激光束运动单元可以引起加工激光束的焦点在呈基于数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。
在该方法的实施方式中，以数据传输的方式连接至存储器单元的检测器装置可以设置在切割头上或切割头中，并且检测器装置可以测量作为切割轮廓与预定轮廓的偏差参数的切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕。特别地，可以确定对应的实际状态与对应的目标状态之间的偏差。替代性地或附加地，用于估计切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕的模型可以存储在存储器单元中，该模型估计作为参数的表面缺陷和切割轮廓与预定轮廓的结果偏差，并且调节可以包括将用于估计表面缺陷的模型从存储器单元读取到优化模块中。特别地，可以估计对应的实际状态数据与对应的目标状态数据之间的偏差。
根据一个实施方式，该方法可以在利用由确定模块确定的至少一个运动轨迹执行的工件的先前激光切割之后执行，特别地不使用优化模块。由此，工件上的表面缺陷、特别是切割边缘上的表面缺陷比如粘附熔体和/或熔体液滴和毛刺可以通过利用由优化模块优化的加工激光束对生产的工件零件进行重新加工并利用切割气体或蒸发进行针对性的熔化和吹出而被减少和/或去除。
本发明的一个实施方式涉及一种包括一个或更多个程序模块的计算机程序产品，所述一个或更多个程序模块使装置执行根据实施方式和变型中的任一者的方法步骤，特别地在程序模块被加载到装置的存储器中时执行根据实施方式和变型中的任一者的方法步骤，计算机程序产品特别地包括选自确定模块和优化模块的至少一个元件。根据实施方式的机器模型、过程模型和/或用于估计切割边缘的表面缺陷的模型各自也可以设计为程序模块和/或包括在计算机程序产品中。
另一实施方式涉及一种计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储有根据上述实施方式的计算机程序产品。
通过用于激光切割工件和生产工件零件的方法的上述实施方式，可以实现与用于激光切割工件和生产工件零件的装置的实施方式相同的优点和功能，特别地具有相同和/或相似的特征。
另外的特征和效率来自于以下对示例性实施方式、附图和从属权利要求的描述。在不脱离本发明的范围的情况下，以上提及的特征和下面描述的特征不仅可以在所指示的相应组合中使用，而且可以在其他组合中使用或单独使用。
下面将参照附图基于示例性实施方式对本发明进行更详细地说明，附图同样公开了对本发明至关重要的特征。这些示例性实施方式仅用于说明目的，而不应当被解释为限制性的。例如，对具有大量元件或部件的示例性实施方式的描述不应当被解释为以下效果：所有这些元件或部件对于实现方式都是必要的。确切地说，其他示例性实施方式也可以包含替代性元件和部件、更少的元件或部件、或附加的元件或部件。除非另有说明，否则不同示例性实施方式的元件或部件可以彼此结合。针对示例性实施方式中的一个示例性实施方式所描述的修改和变型也可以应用于其他示例性实施方式。为了避免重复，在不同的图中，相同的或彼此对应的元件用相同的附图标记表示，并且不进行多次说明。在附图中：
图1示意性地示出了用于激光切割工件和用于生产工件零件的装置的第一示例性实施方式；
图2示意性地示出了根据示例性实施方式的用于激光切割和用于生产工件零件的方法；
图3示意性地示出了根据第一示例性实施方式的装置的部件的相互作用；
图4示意性地示出了根据第一示例性实施方式的加工激光束在工件上的运动轨迹和工件零件的预定轮廓；
图5示意性地示出了根据第二示例性实施方式的用于激光切割的装置的部件的相互作用；
图6示意性地示出了根据第三示例性实施方式的用于激光切割的装置的部件的相互作用；
图7示意性地示出了根据第四示例性实施方式的用于激光切割的装置的部件的相互作用；
图8示意性地示出了用于激光切割工件和生产工件零件的装置的第七示例性实施方式；
图9示意性地示出了根据第七示例性实施方式的用于激光切割的装置的部件的相互作用；以及
图10示意性地示出了根据第八示例性实施方式的用于激光切割的装置的部件的相互作用。
运动轨迹、也称为轨迹被理解为是指由确定模块和/或优化模块获得的加工激光束的运动轨迹曲线或运动轨迹点的时间处理。运动轨迹可以包括加工激光器的运动路径的至少一个部段。术语“动态激光束运动单元”和“激光束运动单元”在此是同义使用的。此外，术语“加工激光束经由切割头的运动”及其变型是指通过利用切割头运动单元使切割头移动而进行的加工激光束的运动。术语“切割边缘”被理解为是指生产的、即切割的工件零件的一个或更多个切割边缘。术语“用于激光切割工件和用于生产工件零件的装置”和“用于激光切割的装置”在此是同义使用的。术语“加工激光束”和“激光束”也同义地使用。术语“运动轨迹”包括完整的运动轨迹和/或运动轨迹的一个或更多个部段。术语“预定轮廓”包括完整的预定轮廓和/或预定轮廓的一个或更多个部段。术语“切割轮廓”包括完整的切割轮廓和/或切割轮廓的一个或更多个部段。术语激光束的“高频光束成形运动”或“动态运动”或者“以高频移动的”或“动态移动的”激光束及其变型在本文中是指激光束以高频移动，例如以10Hz至15kHz、特别地以高于500Hz的频率移动。类似地，术语“动态光束成形”是指光束成形是由激光束运动单元的可动态移动、可定向和/或可调节的元件执行的，例如以10Hz至15kHz、特别地以高于500Hz的频率执行。这同样适用于术语“可动态移动”。
在所有实施方式中，用于产生加工激光束的激光源可以设计成使得提供连续的和/或不连续的、特别地为脉冲式的加工激光束。
图1示意性地示出了作为第一示例性实施方式的用于激光切割工件12和用于生产工件零件的装置10。在本示例中，工件12是贵金属板，通过激光切割从该贵金属板产生具有预定轮廓的工件零件。用于激光切割的装置10设置有切割头20。切割头20具有用以产生功率为1kW的加工激光束24的激光源所用的接口22。在此，接口22布置在切割头20的第一端部处。替代性地，接口22也可以设置在切割头20的侧部上，以将激光束24侧向地引入到切割头中。用于加工激光束24的出口孔口26设置在切割头20的与第一端部相反的第二端部处。激光束光学器件28设置在接口22与出口孔口26之间。如果接口22布置在切割头的第一端部处，则激光束24借助于激光束光学器件28被导引通过切割头，其中，激光束的传播方向基本上平行于切割头的中央轴线。如果接口22设置在切割头20的一侧，则激光束24借助于激光束光学器件28至少偏转一次，并被导引通过切割头20的出口孔口26。
激光束光学器件28具有用于产生加工激光束24的至少垂直于其传播方向的高频光束成形运动、特别是高频振荡的至少一个动态激光束运动单元30，例如DBS系统。在本示例中，用于激光束的光束成形的可动态移动的光学元件31设置为动态激光束运动单元30，该动态激光束运动单元30定位或可以定位在激光束24的光束路径中。在本示例中，光学元件31是可以利用一个或更多个压电致动器(未示出)动态倾斜的聚焦透镜，该聚焦透镜动态地移动以使激光束24成形并使加工激光束24垂直于其传播方向移动。在这种情况下，也可以调节激光束的垂直于其传播方向的强度分布。本示例中的聚焦透镜具有大约30g的质量。聚焦透镜能够利用致动器动态地移动，特别地能够在一个或更多个时间段内以高于100Hz、优选地高于500Hz的频率进行高频移动。
在本示例的改型中，反射加工激光束24的至少一个可移动表面设置为动态激光束运动单元30的光学元件31，该光学元件31在光束路径中布置和对准成使得其将加工光束24偏转。因此，当侧向地引入到切割头20中时，加工激光束24可以在被引导到工件12上之前在切割头内偏转例如90°。反射表面能够借助于至少一个或更多个致动器、例如压电致动器至少部分地动态调节。例如，至少一个可移动表面可以借助于至少一个致动器作为整体动态地调节。此外，至少一个可移动表面可以提供激光束导引装置的表面单元，该表面单元的表面几何形状、特别是其曲率可以利用致动器动态地调节。因此，不仅加工激光束可以至少垂直于其传播方向成形和/或移动，而且加工激光束的发散可以被改变和/或加工激光束的聚焦位置可以平行于其传播方向移位。
例如，激光束运动单元30可以包括作为光学元件31的由例如涂覆的SiC(碳化硅)制成的可动态定向且平面的镜，该镜提供了对加工激光束进行反射的可移动表面。至少一个压电致动器设置为镜可以通过其动态地移动并且由此被定向的致动器。包括镜和至少一个致动器的单元也被称为压电扫描仪。在多个致动器的情况下，每个压电致动器可以被单独地控制。例如，它是基于改进的PZT(锆钛酸铅)陶瓷的具有120V的典型驱动电压的压电致动器。对于激光加工，具有可移动表面的镜通过至少一个压电致动器倾斜，使得加工激光束24偏转。同时，表面通过压电致动器动态地移动，从而为偏转提供合适的倾斜角度，使得加工激光束24动态地移动。以这种方式，加工激光束24的光束参数乘积和/或工件12上的激光束斑点的强度分布根据需要被成形以用于激光切割，因为加工激光束24的焦点以例如10Hz与15kHz之间的频率动态地移动成至少垂直于其传播方向，因此使撞击工件的激光束斑点成形。
在第一示例的另一变型中，激光束运动单元30包括作为光学元件31的至少两个可移动反射表面，所述至少两个可移动反射表面是电流计扫描仪的一部分。为此，电流计扫描仪可以包括两个镜，所述两个镜中的每个镜均提供可移动表面。这些可移动表面可以作为致动器单独地且动态地移动，例如借助于可单独控制的电流计单独地且动态地移动。电流计扫描仪例如设置有能够定向成使得加工激光束24以大于90°的角度偏转至少一次并且以小于90°的角度偏转至少一次的两个镜。在操作期间，两个镜相对于彼此定向和移动成使得加工激光束15偏转两次并且同时动态地移动。因此，借助于动态光束成形可以提供光束斑点的几乎任何强度分布和/或加工激光束24的任何光束参数乘积。
在第一示例的另一变型中，激光束运动单元30具有作为光学元件31的反射性的可动态移动表面的分段镜，该分段镜具有布置成彼此相邻以形成图案的多个分开的镜部段。每个镜部段具有例如金涂层，对加工激光束24是反射性的并且可以借助于压电致动器单独地动态定向。因此，激光束运动单元30提供对加工激光束24进行反射的分段的整体表面，该分段的整体表面的表面几何形状、特别是其曲率是能够高度动态调节的。分段镜用于动态光束成形。为此，分段镜的表面以高于10Hz、特别地高于100Hz的足够高的频率改变，使得工件12上的所产生的聚焦至少侧向于激光束的传播方向动态地移动。时间积分的加工激光束的光束参数乘积和/或强度分布可以根据需要通过动态光束成形进行修改。
在第一示例的附加变型中，激光束运动单元30具有作为动态光束成形光学元件31的可变形镜(DM，动态镜)，以提供可移动的反射性连续表面。镜通过由可变形材料制成的膜形成，该膜能够借助于致动器动态地变形。为此，存在可单独控制的致动器，所述可单独控制的致动器以图案的方式均匀地分布在膜的下侧部上。膜的顶部涂覆有适用于波长为1060nm至1090nm的高达120kW的激光束的高反射性的多层介电涂层。可变形镜(DM，动态镜)的可移动的反射性连续表面可以以与前述分段镜相同的方式操作。
用于激光切割的装置10还包括切割头运动单元32，该切割头运动单元32使切割头20并且因此使在切割头20中导引的加工激光束24在工件12上至少沿X方向和/或Y方向移动。例如,切割头20安装在托架(未示出)上，该托架能够在桥接件(未示出)上沿X方向移动，该桥接件能够沿Y方向移动，如图1中用箭头示意性示出的。在本示例中，切割头运动单元32和切割头20的惯性部件具有约400kg的组合质量。在示例的变型中，还可以利用切割头运动单元32来执行切割头20沿Z方向、即沿垂直于工件的方向的运动。
用于激光切割的装置10设置有用于对切割头运动单元32和激光束运动单元30进行控制的控制单元34。控制单元34以数据传输的方式无线地或有线地连接至切割头运动单元32和激光束运动单元30。控制单元34具有确定模块36，利用该确定模块36可以确定加工激光束24在工件12上的至少一个运动轨迹。根据要生产的工件零件的至少一个预定轮廓，在至少一个工件平面中确定运动轨迹。控制单元34还包括存储器单元38，在该存储器单元38中存储选自以下各者的至少一个预定参数：切割头运动单元32的运动参数、激光束运动单元30的运动参数和切割轮廓与预定轮廓的偏差参数，并且能够从该存储器单元38中检索至少一个预定参数。控制单元34还包括用于调节运动轨迹的优化模块40。基于能够从存储器单元38中检索的至少一个预定参数，通过将加工激光束24经由切割头20的运动与加工激光束24经由激光束运动单元30的高频光束成形运动叠加来执行加工激光束24的运动轨迹的调节、即优化。
如图2中所图示的，在用于激光切割的装置10的操作中，在步骤S1至S4中切割工件12，并且生产工件零件。在步骤S1中，根据要生产的工件零件的至少一个预定轮廓X、Y，借助于控制单元34的确定模块40确定加工激光束24在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹X、Y。在步骤S2中，基于能够从存储器单元38中检索的至少一个预定参数，控制单元34的优化模块40通过将加工激光束经由切割头20的运动与加工激光束经由动态激光束运动单元30的高频光束成形运动叠加来调节运动轨迹。这优化了运动轨迹，并且获得了调节后的运动轨迹X°、Y°。在第一示例性实施方式中，运动轨迹由优化模块40通过将运动轨迹X*、Y*分配给切割头运动单元32，并且将光学元件的偏转U、V——在X方向上的U和在Y方向上的V——分配给激光束运动单元30来优化，从而产生调节后的运动轨迹X°、Y°。在步骤S3中，以至少200W、优选地至少1kW的功率产生加工激光束24，并且利用加工激光束24切割工件12。在步骤S4中，通过切割头运动单元32使加工激光束24经由切割头20在工件12上移动，并且根据调节后的运动轨迹X°、Y°，通过激光束运动单元30使加工激光束24至少垂直于其传播方向以高频移动和成形。步骤S1和S2可以同时或连续或顺序地执行、即加工激光束的运动轨迹的优化可以在确定运动轨迹期间或在确定运动轨迹期间之后执行。
图3示意性地图示了在第一示例性实施方式的激光切割期间装置10的各部件的相互作用。在控制单元34中，确定模块36根据预定轮廓X、Y确定运动轨迹X、Y。由此，优化模块40使用存储在存储器单元38中的优化参数OP作为预定参数来确定优化和调节后的运动轨迹X°、Y°。优化和调节后的运动轨迹X°、Y°用于在激光切割期间控制动态激光束运动单元30和切割头运动单元32的运动，动态激光束运动单元30和切割头运动单元32一起形成激光束运动系统33。以这种方式，加工激光束24经由切割头20的运动根据调节后的运动轨迹X°、Y°叠加在加工激光束24经由动态激光束运动单元30的高频光束成形运动上。
在所有实施方式和示例性实施方式中，附加参数可以存储在存储器单元38中并从存储器单元38中检索。例如，存储器单元38可以存储：预定轮廓X、Y、例如在确定模块36例如CNC或PLC控制/控制器中使用的切割计划或NC代码、以及在确定模块36和/或优化模块40中使用的机器和过程参数。在第一示例性实施方式、图3中，所述附加参数可以由确定模块36和/或优化模块40检索和使用。此外，激光束运动系统33可以包括机器控制器，来自优化模块40和确定模块36的数据被传输至该机器控制器。确定模块36可以向激光束运动系统33传输控制数据SD，比如切割头运动单元32的Z轴的数据、切割气体的气体压力、用于加工激光束24的激光功率。在确定模块36与激光束运动系统33或其机器控制器之间可以连接有缓冲模块，该缓冲器模块将来自确定模块36的命令的执行延迟例如100ms，以便在优化单元40中具有可用于优化的必要时间，并且使得用于激光切割的装置10的部件能够在时间上同步。在所有实施方式和示例性实施方式中，优化模块40可以检索和使用来自确定模块36的结果。
图4示意性地示出了根据第一示例性实施方式的加工激光束在工件12上的运动轨迹和工件零件的预定轮廓X、Y。示出了具有轴XC和YC的坐标系。坐标反映了加工激光束24在时间K处的位置、即K限定了离散的时间步长。在该示例中，待切割的工件零件的预定轮廓X、Y是矩形的。由优化模块40分配给切割头运动单元32的加工激光束24的运动轨迹X*、Y*能够识别为在偏离预定轮廓X、Y的方向、例如逆时针方向(参见箭头)上的椭圆形运动路径。封围预定轮廓X、Y并用虚线示出的矩形指示从预定轮廓X、Y开始的激光束运动单元30的可动态移动的光学元件的在X方向上的最大运动幅度、即最大偏转U最大和在Y方向上的最大运动幅度、即最大偏转V最大。
在该示例中，呈切割头运动单元32和激光束运动单元30的动态极限形式的优化参数OP被用作预定参数。基于这些预定参数，优化模块40通过将加工激光束24经由切割头20的运动与加工激光束24通过动态激光束运动单元30的高频光束成形运动叠加来确定调节后的运动轨迹X°、Y°。在这种情况下，运动轨迹X*、Y*被分配给切割头运动单元32，并且偏转U和V被分配给激光束运动单元30，使得所得到的调节后的运动轨迹X°、Y°基本上对应于待切割的工件零件的预定轮廓X、Y。X°、Y°作为用于调节后的运动轨迹的坐标被获得：XK°＝XK*+UK且YK°＝YK*+VK，其中，K∈[0，T]并且T作为运动轨迹或运动轨迹的部段的持续时间。通过利用切割头运动单元32和激光束运动单元30根据调节后的运动轨迹X°、Y°移动加工激光束24，在激光切割期间产生大致具有预定轮廓X、Y的矩形工件零件，其中，避免或至少减少了轮廓误差。
在本示例中，与待切割的工件零件的预定轮廓相对应的运动轨迹被划分和/或重新分配，以便减少轮廓误差：将运动轨迹的分量优化分配给激光束运动单元导致惯性机械轴和切割头运动单元的切割头在运动轨迹中的分量更小。由于运动的高频分量由动态激光束运动单元执行，因此机械轴更平稳且振动更小地移动。因此，在激光切割期间存在机械轴和装置10的其他部件的较少的不希望的高频激励和较少的轮廓误差。这在预定轮廓的拐角、角度或其他小的或尖锐的结构处尤其如此。此外，用于激光切割的装置10的部件的稳定性增加并且用于激光切割的装置10的部件的磨损减少。通过优化问题来解决运动部件在运动轨迹中的分配。例如，在保持边界条件比如切割头运动单元的机械轴的动态极限、动态激光束运动单元的动态极限和动态移动的光学元件的最大偏转的同时，实现了机械轴和切割头的加加速度和/或加速度的最小化。以这种方式，获得调节后的优化运动轨迹。
图5示出了根据第二示例性实施方式的用于激光切割的装置10的部件的相互作用的示意图。这是其中优化模块40被设计成基于切割头运动单元32的增加的圆度公差来调节运动轨迹的实施方式的示例。切割头运动单元32的圆度公差VT作为预定参数存储在存储器单元38中。存储器单元38可以进一步存储先前针对第一示例性实施方式所提及的附加参数，并且这些参数可以由确定模块36和/或优化模块40检索和使用。圆度公差VT指定切割头运动单元32的运动轨迹在预定轮廓X、Y的拐角和小半径处的目标圆度。圆度公差VT被给定为小于或等于激光束运动单元30的可动态移动的光学元件的在X方向上的最大运动振幅U最大和在Y方向上的最大运动振幅V最大。在激光切割期间，选定的圆度公差VT越大，切割头20在预定轮廓的拐角和小半径中必须降低的速度就越小。使用与单独使用切割头运动单元32将规定的圆度公差相比更大的圆度公差VT。典型的圆度公差和增加的圆度公差可以存储在存储器单元中并从存储器单元中检索。在本示例中，由确定模块36从存储器单元38中检索增加的圆度公差VT。确定模块36由此确定具有圆度的运动轨迹X*、Y*和不具有圆度的运动轨迹X、Y、即根据预定轮廓X、Y确定。例如，可以借助于HMI(人机界面)或自动规则(“性能模式”)来调节圆度公差VT。确定模块36还可以向优化模块提供圆度公差VT。优化模块40计算具有圆度的运动轨迹X*、Y*与不具有圆度的运动轨迹X、Y之间的差，并将差值作为光学元件的偏转U、V分配给激光束运动单元30。用于差值U和V的坐标被确定：UK＝XK*-XK且VK＝YK*-YK，其中，K∈[0，T]并且T作为运动轨迹或运动轨迹的部段的持续时间。因此，差值U被确定为激光束运动单元30的可动态移动的光学元件在X方向上的运动，并且差值V被确定为激光束运动单元30的可动态移动的光学元件在Y方向上的运动。动态激光束运动单元30的光学元件31的所得到的优化的运动幅度、即偏转U、V通过优化模块40传递至激光束运动系统33。值X*、Y*指定切割头20在X方向和Y方向上的运动，并且通过确定模块36例如经由用于时间同步的缓冲模块传递至激光束运动系统33。因此，通过组合、即叠加偏转U、V和运动轨迹X*、Y*，获得调节后的运动轨迹X°、Y°。在该示例的装置10的操作中，使用高圆度公差来优化运动轨迹允许在预定轮廓的拐角和小半径中具有更高的切割速度。因此，每个工件零件的激光切割过程所需的时间更少，并且用于激光切割的装置10的生产率增加。
例如，本示例性实施方式可以用于CNC控制的机器中，其中，运动轨迹由内核、例如ISG内核计算。除了其他方面以外，这还考虑到了机械轴的动态特性。还可以设定预定轮廓或轨迹的圆度，由此，根据圆度公差，拐角和小半径中的速度不需要降低或降低得不太严重。在图5的示例性实施方式中，如果现在对这种机器使用高圆度公差，则切割头20在预定轮廓的拐角和小半径中的速度将更大，但是切割的零件与期望的零件之间的偏差也将更大。由高圆度公差引起的偏差通过叠加在切割头20的运动上的激光束运动单元30的同步运动来补偿。因此，可以提高机器的生产率和切割要生产的工件零件时的精度。由于在预定轮廓的拐角和小半径处的圆度公差，因此不仅切割头20的速度不需要在那里降低，而且激光束运动单元30的补偿运动还导致切割头运动单元32的机械轴的较少的高频激励，因此避免了用于激光切割的装置10或装置10的部件的机械振动。此外，用于激光切割的装置10的部件的稳定性增加并且用于激光切割的装置10的部件的磨损减少。
图6示意性地图示了根据第三示例性实施方式的用于激光切割的装置10的部件的相互作用。除了优化参数OP之外，机器模型MM也存储在存储器单元38中。机器模型MM表示移动的切割头20的运动学行为，并且在一些示例中还表示切割头运动单元32的机械轴的运动学行为，并且作为切割头运动单元的运动参数估计切割头的运动的状态数据和可能的机械轴的运动的状态数据以及切割轮廓与预定轮廓X、Y的结果偏差。优化模块40与存储器单元38进行数据连接以用于读取优化参数OP和机器模型MM。存储器单元38可以进一步存储先前针对第一示例性实施方式所提及的附加参数，并且这些参数可以由优化单元40和/或确定模块36检索和使用。
表征机床的运动学特性的模型可以用作机器模型MM。特别地，可以使用模型(例如卡尔曼滤波器)来估计工具中心点(TCP)处的轮廓误差。可以在本示例中使用的其他机器模型基于微分方程和/或可以使用双质量模型，其中，例如，TCP的位置借助于4阶微分方程系统(状态空间表示)来描述。用于TCP估计的更复杂的模型也可以考虑摩擦效应、齿隙、温度依赖性和其他部分非线性效应。用于TCP估计的机器模型也可以通过FEM(有限元方法)模型的模型简化来创建。
在操作中，确定模块36将要利用切割头运动单元32执行的加工激光束24的运动轨迹X*、Y*确定为X*＝X和Y*＝Y。因此，要由切割头运动单元32的机械轴执行的切割头20的原始运动轨迹X、Y不变。优化模块40检索运动轨迹X*、Y*、优化参数OP和机器模型MM，并且执行轮廓误差的基于模型的估计。基于此，优化模块40计算激光束运动单元30的可动态移动的光学元件的偏转U和V以补偿轮廓误差，其中，偏转UK在X方向上且偏转VK在Y方向上，并且K∈[0，T]且T作为运动轨迹或运动轨迹的部段的持续时间。动态激光束运动单元30的光学元件的所得到的优化的运动幅度、即偏转U和V通过优化模块40传递至激光束运动系统33。确定模块36例如经由用于时间同步的缓冲模块将加工激光束24的运动轨迹X*、Y*传递至激光束运动系统33。因此，通过组合、即叠加偏转U、V和运动轨迹X*、Y*，获得调节后的运动轨迹X°、Y°。利用本示例性实施方式，可以以基于模型的方式估计例如在TCP处的轮廓误差。所估计的轮廓误差由激光束运动单元30进行补偿。由于激光束运动单元30的光学元件31以高度动态的方式、即以高频移动，因此还可以补偿例如由装置10的部件的高频振动导致的轮廓误差，并且可以获得更精确切割的工件零件。
图7示意性地图示了根据第四示例性实施方式的用于激光切割的装置10的部件的相互作用，该第四示例性实施方式是图6中所示出的第三示例性实施方式的改型。这是其中优化模块40设计成基于切割头运动单元32的增加的动态极限来调节运动轨迹的实施方式的示例。在存储器单元38中，除了优化参数OP和机器模型MM之外，还例如以改变的机器和/或过程参数的形式存储有切割头运动单元32的以目标方式增加的至少一个动态极限DG。还可以存储切割头运动单元32的至少一个典型动态极限DG。确定模块36将加工激光束24的运动轨迹X*、Y*确定为X*＝X和Y*＝Y，并且在本示例中，出于此目的从存储器单元中检索以目标方式增加的至少一个动态极限DG。优化模块40检索运动轨迹X*、Y*、切割头运动单元32的以目标方式增加的至少一个动态极限DG、优化参数OP和机器模型MM。优化模块40在此基础上执行轮廓误差的基于模型的估计，并且确定激光束运动单元30的可动态移动的光学元件的偏转U和V，其中，偏转UK在X方向上且偏转VK在Y方向上，并且K∈[0，T]且T作为运动轨迹或运动轨迹的部段的持续时间。动态激光束运动单元30的光学元件的所得到的优化的运动幅度、即偏转U和V通过优化模块40传递至激光束运动系统33。确定模块36将加工激光束的原始运动轨迹X、Y作为X*、Y*不变地传递至激光束运动系统33的切割头运动单元32。因此，通过组合、即叠加偏转U、V和运动轨迹X*、Y*，获得调节后的运动轨迹X°、Y°。以这种方式，利用激光束运动单元30的光学元件的偏转来补偿与预定轮廓的估计的增加的偏差、即估计的轮廓误差。通过该示例性实施方式，可以间接地增加装置10的生产率：通过有意地增加切割头运动单元32的动态极限例如机械轴的动态极限，与预定轮廓的偏差例如在TCP处的偏差变得更大，并且每个工件零件的激光切割过程所需的时间变得更小。同时，与预定轮廓的较大偏差由动态激光束运动单元30进行补偿，因此获得更精确切割的工件零件。
在第五示例性实施方式中，过程模型PM(未示出)与用于激光切割的装置的一个或更多个其他示例性实施方式、例如第一示例性实施方式至第四示例性实施方式的部件组合。在每种情况下，存储器单元34附加地存储过程模型PM，该过程模型PM表示激光切割过程，并且估计激光切割过程的状态数据和切割轮廓与预定轮廓X、Y的结果偏差。估计对应的实际状态数据与对应的目标状态数据之间的结果偏差并且因此估计切割工件零件的质量。特别地，激光切割期间的高激光功率可以被认为是激光切割过程的状态数据。优化模块40从存储器单元34中检索过程模型PM，该过程模型PM用于基于状态数据比如激光功率、也称为切割速度的进给速率、切割气体的气体压力和/或切割头的出口孔口与工件的距离来计算优化的过程参数。当确定调节后的运动轨迹X°、Y°时，优化模块40还额外考虑优化的过程参数。这在确定动态激光束运动单元30的光学元件的优化的运动幅度、即偏转时也适用。这利用了它们的高动态，由此也可以补偿由装置10的部件的不期望的高频激励导致的轮廓误差，并且实现了部件的较低激励，并且因此实现了部件的较少磨损。通过使用该过程模型，也提高了切割质量。借助于切割头的进给速度和/或切割速度和/或喷嘴距离可以实现过程模型与机器模型之间的联接。例如，如果进给速率太高，则可能发生金属板工件无法被切割的情况。这可以借助于过程模型PM来估计并反馈给确定模块36，并且由确定模块36在确定运动轨迹时加以考虑。
在第六示例性实施方式中，用于激光切割的装置的其他示例性实施方式的激光束运动单元30实现了加工激光束的焦点在呈一个或更多个Lissajous图形的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。控制单元34具有预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库DB(未示出)。激光束运动单元30设计成引起加工激光束24的焦点在呈基于数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。例如，激光束运动单元30的光学元件31可以是在功能上连接至作为用于激励透镜振荡的激励装置的一个或更多个致动器的透镜。激励装置在激光切割装置10的操作期间向透镜传输激励，从而使透镜执行重复的振荡运动。这种振荡运动导致加工激光束24的焦点至少垂直于其传播方向的振荡。替代性地，光纤、特别是光纤端部、用于光纤的耦接件或光纤的端盖可以设置为激光束运动单元30的光学元件，其中，光学元件的自由端部在功能上连接至一个或多个致动器。根据另一替代方案，激光束运动单元30的光学元件可以是具有中心的离轴抛物面镜，加工激光束24利用该离轴抛物面镜偏转并且其焦点在焦点振荡路径上振荡。当调节优化模块40中的运动轨迹时，通过借助于动态激光束运动单元30执行加工激光束24的焦点在呈Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡，可以附加地提高切割质量，特别地提高用于较高厚度的工件的切割质量。
图8示意性地示出了作为第七示例性实施方式的用于激光切割工件12和生产工件零件的装置100。下面描述与图1的装置10的不同之处。第七示例性实施方式可以以与装置10的第一示例性实施方式至第六示例性实施方式类似的对应修改的方式来设计和操作。
用于激光切割的装置100设置有切割头120。切割头120具有用以产生功率为1kW的加工激光束24的激光源所用的接口122。在此，接口122设置在切割头20的一侧。在接口122处设置激光源60，该激光源60借助于光纤62连接至接口122。作为激光束光学器件28的动态激光束运动单元30的可动态移动的光学元件31，设置了具有至少一个可移动反射表面的动态光束成形器，利用该动态光束成形器，激光束24被偏转至少一次。例如，如图8所示，针对激光束的光束成形可以使用二向色偏转镜35，该二向色偏转镜35可以定位或定位在激光束24的光束路径中。此外，如图8所示，可以在偏转镜35与出口孔口26之间布置可选的聚焦透镜。在本示例中，偏转镜35可以利用一个或更多个压电致动器(未示出)动态地倾斜。动态移动的偏转镜35使激光束24偏转，并且同时使加工激光束24至少垂直于其传播方向移动，由此使加工激光束24动态地成形。在这种情况下，也可以调节激光束的垂直于其传播方向的强度分布。在该示例中，偏转镜35具有4g至15g、例如大约10g的质量。偏转镜35能够利用致动器动态地移动，特别地能够在一个或更多个时间段内以高于100Hz、优选地高于500Hz的频率进行高频移动。
在切割头120的第一端部处设置有检测器装置50，以用于观察工件12以及可选地观察激光切割过程。检测器装置50例如是对过程光52敏感的相机。过程光52是从工件12通过出口孔口26发射的射线，并且包括由工件的激光加工产生的射线和/或反射的照明光。这允许对在激光切割期间产生的切割边缘进行成像和测量。此外，检测器装置50可以包括自适应光学单元。自适应光学单元、例如自适应光学器件或自适应透镜(聚焦可调透镜)允许检测器装置的锐度水平根据聚焦位置、工件厚度和期望的过程观察水平与加工光束的传播方向平行地变化。
光学元件31被设计为二向色镜35。在本示例中，镜是玻璃镜(例如SiO2、熔融二氧化硅)或对可见过程光透明的另一镜。二向色镜35至少在一侧上、即在面向激光源的一侧上设置有介电涂层。镜35的尺寸被选择成使得其对应于加工激光束24在镜的位置中的直径。二向色镜35至少部分地反射加工激光束24，并且对过程光52的至少一部分选择性地透明。
在用于激光切割的装置100中，控制单元34也以数据传输的方式无线或有线地连接至检测器装置50，并且因此可以用于观察所产生的切割边缘以用于测量表面缺陷并且可选地用于过程监测。存储器单元38可以进一步存储先前针对第一示例性实施方式所提及的附加参数，并且这些参数可以由确定模块36和/或优化模块40检索和使用。
图9示意性地图示了根据第七示例性实施方式的用于激光切割的装置100的部件的相互作用。在装置100的操作中，加工激光束24通过切割头运动单元32经由切割头20在工件12上移动，并且工件12被切割。在这种情况下，工件12的切割边缘的表面缺陷OD例如刻痕、凹槽或毛刺由检测器装置50检测为切割轮廓与工件的预定轮廓X、Y的测量偏差，并确定得到的参数。这些参数被传递至存储器单元38，并且由优化模块40从存储器单元38中检索作为预定参数。基于此，优化模块40通过激光束运动单元30引起对加工激光束24的动态运动的调制，从而抵消表面缺陷OD。为此，优化模块40计算激光束运动单元30的可动态移动的光学元件31、在这种情况下是偏转镜35的偏转U和V，以用于补偿表面缺陷，其中，偏转UK在X方向上且偏转VK在Y方向上，并且K∈[0，T]且T作为运动轨迹或运动轨迹的部段的持续时间。动态激光束运动单元30的偏转镜35的所得到的优化的运动幅度、即偏转U和V通过优化模块40传递至激光束运动系统33。确定模块36将加工激光束24的运动轨迹X*、Y*确定为X*＝X和Y*＝Y，并且例如经由用于时间同步的缓冲模块将其传递至激光束运动系统33的切割头运动单元32。因此，要由切割头运动单元32的机械轴执行的切割头20的原始运动轨迹X、Y不变。因此，通过组合、即叠加偏转U、V和运动轨迹X*、Y*，获得调节后的运动轨迹X°、Y°。
在装置100的操作期间，特别地，可以确定表面缺陷的尺寸和/或周期性重复出现的图案、例如表面缺陷的振幅和频率。例如，当使用氧气作为切割气体对工件12进行热切割时，在NIR/IR范围内捕获过程光52的热图像。在没有表面缺陷的切割边缘的区域中，存在具有降低的辐射强度的热图像的局部强度最小值。在热图像中可以观察到强度最小值的尺寸大小。在该尺寸出现不期望的减小的情况下，优化模块40通过激光束运动单元30引起对加工激光束的动态运动的调制，该调制抵消表面缺陷。
图10示意性地图示了根据第八示例性实施方式的用于激光切割的装置100的部件的相互作用。第八示例性实施方式是第七示例性实施方式的改型。在第八示例性实施方式中，在装置100上没有设置检测器50。相反，用于估计表面缺陷的模型MOD存储在存储器单元38中，并且能够由优化模块40检索。作为用于估计表面缺陷的模型MOD，例如，可以使用用于估计刻痕的模型，利用该模型，可以通过具有破坏性项的阻尼振荡器来计算切割边缘的刻痕的粗糙度，即振幅和频率。替代性地，粗糙度可以通过自适应神经模糊推理系统(ANFIS)来建模。该模型可以用于估计作为切割轮廓与工件的预定轮廓X、Y的偏差的工件12的切割边缘的表面缺陷例如刻痕、凹槽或毛刺。在操作中，优化模块40检索MOD表面缺陷估计模型并执行基于模型的表面缺陷估计。基于此，优化模块40通过激光束运动单元30引起对加工激光束24的动态运动的调制，该调制抵消表面缺陷。出于此目的，优化模块40计算激光束运动单元30的可动态移动的光学元件31、在这种情况下是偏转镜35的偏转U和V，以用于补偿表面缺陷，其中，偏转UK在X方向上且偏转VK在Y方向上，并且K∈[0，T]且T作为运动轨迹或运动轨迹的部段的持续时间。动态激光束运动单元30的偏转镜35的所得到的优化的运动幅度、即偏转U和V通过优化模块40传递至激光束运动系统33。确定模块36将加工激光束24的运动轨迹X*、Y*确定为X*＝X和Y*＝Y，并且例如经由用于时间同步的缓冲模块将其传递至激光束运动系统33的切割头运动单元32。因此，要由切割头运动单元32的机械轴执行的切割头20的原始运动轨迹X、Y不变。因此，通过组合、即叠加偏转U、V和运动轨迹X*、Y*，获得调节后的运动轨迹X°、Y°。
在第九实施方式中，能够由第一示例性实施方式至第八示例性实施方式的装置执行的方法可以在利用由确定模块36确定的至少一个运动轨迹执行的工件12的先前激光切割之后执行，而不使用优化模块40。因此，粘附至工件12、特别地粘附至切割边缘的熔体和/或熔体液滴以及毛刺或其他表面缺陷、比如刻痕可以通过利用由优化模块40优化的加工激光束24对工件或生产的工件零件进行重新加工并利用切割气体或蒸发进行针对性的熔化和吹出而被减少和/或去除。
附图标记列表
10用于激光切割的装置
12工件
20切割头
22接口
24加工激光束
26出口孔口
28激光束光学器件
30激光束运动单元
31光学元件
32切割头运动单元
33激光束运动系统
34控制单元
35偏转镜
36确定模块
38存储器单元
40优化模块
50检测器单元
52过程光
60激光源
62光纤
100用于激光切割的装置
120切割头
122接口
XC X轴坐标系
YC Y轴坐标系
K时间点
T持续时间
OP优化参数
SD控制数据
VT圆度公差
MM机器模型
DG动态极限
PM过程模型
DB数据库
OD表面缺陷
MOD表面缺陷估计模型
U光学元件在X方向上的偏转
V光学元件在Y方向上的偏转
X在X方向上的预定轮廓
Y在Y方向上的预定轮廓
X、Y预定轮廓
X、Y根据预定轮廓的运动轨迹
X*、Y*运动轨迹
X°、Y°调节后的(优化的)运动轨迹
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于激光切割工件(12)和生产工件零件的装置(10；100)，所述装置(10；100)具有切割头(20)，
所述切割头具有用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的加工激光束(24)的激光源所用的接口(22)、用于所述加工激光束的出口孔口(26)以及位于所述接口与所述出口孔口之间的激光束光学器件(28)，
所述激光束光学器件(28)具有至少一个动态激光束运动单元(30)，所述至少一个动态激光束运动单元(30)用于产生所述加工激光束的至少垂直于其传播方向的高频光束成形运动；
所述装置(10；100)具有切割头运动单元(32)，所述切割头运动单元(32)用于执行所述加工激光束经由所述切割头(20)在所述工件(12)上的运动；以及
所述装置(10；100)具有控制单元(34)，所述控制单元(34)用于对所述切割头运动单元(32)和所述激光束运动单元(30)进行控制，
所述控制单元包括：
-确定模块(36)，所述确定模块(36)用于根据要生产的所述工件零件的至少一个预定轮廓(X、Y)确定所述加工激光束在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹(X、Y)；
-存储器单元(38)，能够从所述存储器单元(38)中检索选自以下各者的至少一个预定参数：所述切割头运动单元(32)的运动参数、所述激光束运动单元(30)的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数；以及
-优化模块(40)，所述优化模块(40)用于基于能够从所述存储器单元(38)中检索的至少一个预定参数，通过将所述加工激光束经由所述切割头(20)的运动与所述加工激光束经由所述激光束运动单元(30)的所述高频光束成形运动叠加来调节所述运动轨迹(X，Y)；
其中，所述优化模块(40)配置成用于通过在所述切割头运动单元(32)与所述激光束运动单元(30)之间冗余地划分所述加工激光束的所述运动轨迹来优化所述运动轨迹(X；Y)。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述优化模块(40)配置成用于调节和/或优化选自以下各者的至少一个参数：所述切割头运动单元(32)的运动参数、所述激光束运动单元(30)的运动参数以及所述切割轮廓与所述预定轮廓的偏差参数，特别地配置成用于预先确定所述至少一个预定参数。
3.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，所述切割头运动单元的运动参数是选自以下各者的至少一个参数：
-切割头运动单元的动态极限(DG)，
-所述切割头运动单元在所述预定轮廓的角度处的圆度公差(VT)，以及
-所述切割头运动单元在所述预定轮廓的半径处的圆度公差(VT)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，
其中，所述激光束运动单元的运动参数是选自以下各者的至少一个参数：
-所述激光束运动单元的动态极限(DG)；以及
-能够利用所述激光束运动单元产生的所述加工激光束的最大运动振幅。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，切割轮廓与所述预定轮廓(X、Y)的所述偏差参数是选自以下各者的至少一个参数：
-估计的偏差，
-由测量偏差产生的参数，
-所述切割轮廓在所述预定轮廓的角度处的圆度，
-所述切割轮廓在所述预定轮廓的半径处的圆度，
-切割边缘的估计的表面缺陷(OD)，以及
-由切割边缘的测量的表面缺陷产生的参数。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，用于调节所述运动轨迹的所述优化模块(40)是基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的圆度公差(VT)设计的，并且用于补偿所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，在所述存储器单元(38)中存储有表示移动切割头(20)的运动学行为的机器模型(MM)，并且所述机器模型(MM)估计作为所述切割头运动单元的运动参数的切割头运动的状态数据和作为另一参数的所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述优化模块(40)与所述存储器单元(38)进行数据通信以用于读取所述机器模型。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，所述优化模块设计成基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的动态极限(DG)来调节所述运动轨迹。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，在所述存储器单元(38)中存储有表示所述激光切割过程并估计作为参数的所述激光切割过程的状态数据和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差的过程模型，并且其中，所述优化模块(40)与所述存储器单元进行数据通信以用于读取所述过程模型。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，所述控制单元(34)包括预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库，并且所述激光束运动单元(30)设计成引起所述加工激光束的所述焦点在呈基于所述数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，以数据传输的方式连接至所述存储器单元(38)的检测器装置(50)设置在所述切割头(20)上或所述切割头(20)中，以用于测量作为所述切割轮廓与所述预定轮廓(X，Y)的所述偏差参数的切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕；并且/或者
其中，在所述存储器单元(38)中存储有用于估计切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕的模型(MOD)，所述模型(MOD)估计作为参数的表面缺陷(OD)和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述优化模块(40)与所述存储器单元进行数据通信，以便读取用于估计表面缺陷的所述模型。
12.一种用于利用根据权利要求1至11中的一项所述的用于激光切割工件和生产工件零件的装置(10；100)激光切割工件(12)和生产工件零件的方法，其中，在所述接口(22)处设置有用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的加工激光束的激光源(60、62)，
所述方法包括以下步骤：
-(S1)：借助于所述控制单元(34)的所述确定模块(36)，根据要生产的所述工件零件的至少一个预定轮廓(X、Y)确定所述加工激光束(24)在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹；
-(S2)：借助于所述控制单元(34)的所述优化模块(40)，基于能够从所述存储器单元中检索的所述至少一个预定参数，通过将所述加工激光束经由所述切割头(20)的运动与所述加工激光束经由所述动态激光束运动单元(30)的所述高频光束成形运动叠加来调节所述运动轨迹；
-(S3)：产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的所述加工激光束(24)，并且利用所述加工激光束切割所述工件；以及
-(S4)：根据调节后的运动轨迹(X°、Y°)，使所述加工激光束(24)经由所述切割头(20)在所述工件上移动，并且经由所述激光束运动单元(30)执行所述加工激光束至少垂直于所述加工激光束的传播方向的高频光束成形运动；
其中，所述调节包括通过在所述切割头运动单元(32)与所述激光束运动单元(30)之间冗余地划分所述加工激光束(24)的所述运动轨迹来优化所述运动轨迹(X；Y)。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中，调节和/或优化选自以下各者的至少一个参数：所述切割头运动单元(32)的运动参数、所述激光束运动单元(30)的运动参数以及所述切割轮廓与所述预定轮廓的偏差参数，特别地以用于预先确定所述至少一个预定参数。
14.根据权利要求12或13所述的方法，
其中，所述调节基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的圆度公差(VT)来执行，并且包括补偿所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，
其中，在所述存储器单元(38)中存储表示移动切割头(20)的运动学行为的机器模型(MM)，并且所述机器模型(MM)估计作为所述切割头运动单元(32)的运动参数的切割头运动的状态数据和作为另一参数的所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述调节包括将所述机器模型从所述存储器单元读取到所述优化模块(40)中。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，
其中，基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的动态极限(DG)来执行所述调节。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，
其中，所述存储器单元(38)存储表示所述激光切割过程并估计作为参数的所述激光切割过程的状态数据和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差的过程模型，并且其中，所述调节包括将所述过程模型从所述存储器单元读取到所述优化模块中。
18.根据权利要求12至17中的任一项所述的方法，
其中，所述控制单元(38)包括预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库，并且所述激光束运动单元(30)引起所述加工激光束的焦点在呈基于所述数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。
19.根据权利要求12至18中的任一项所述的方法，
其中，以数据传输的方式连接至所述存储器单元(38)的检测器装置(50)设置在所述切割头(120)上或所述切割头(120)中，并且所述检测器装置测量作为所述切割轮廓与所述预定轮廓的偏差参数的切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕；并且/或者
其中，用于估计所述切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕的模型(MOD)存储在所述存储器单元(38)中，所述模型估计作为参数的表面缺陷和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述调节包括将用于估计表面缺陷的所述模型从所述存储器单元(38)读取到所述优化模块(40)中。
20.根据权利要求12至19中的任一项所述的方法，
其中，所述方法在利用由所述确定模块(38)确定的所述至少一个运动轨迹执行的所述工件的先前激光切割之后执行。
21.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括一个或更多个程序模块，所述程序模块使根据权利要求1至11中的任一项所述的装置执行根据权利要求12至20中的任一项所述的方法步骤，特别地在所述程序模块被加载到所述装置的存储器中时使根据权利要求1至11中的任一项所述的装置执行根据权利要求12至20中的任一项所述的方法步骤，特别地，所述计算机程序产品包括选自所述确定模块和所述优化模块的至少一个元件。
22.一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储有根据权利要求21所述的计算机程序产品。

Claims (22)

1.一种用于激光切割工件(12)和生产工件零件的装置(10；100)，所述装置(10；100)具有切割头(20)，
所述切割头具有用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的加工激光束(24)的激光源所用的接口(22)、用于所述加工激光束的出口孔口(26)以及位于所述接口与所述出口孔口之间的激光束光学器件(28)，
所述激光束光学器件(28)具有至少一个动态激光束运动单元(30)，所述至少一个动态激光束运动单元(30)用于产生所述加工激光束的至少垂直于其传播方向的高频光束成形运动；
所述装置(10；100)具有切割头运动单元(32)，所述切割头运动单元(32)用于执行所述加工激光束经由所述切割头(20)在所述工件(12)上的运动；以及
所述装置(10；100)具有控制单元(34)，所述控制单元(34)用于对所述切割头运动单元(32)和所述激光束运动单元(30)进行控制，
所述控制单元包括：
-确定模块(36)，所述确定模块(36)用于根据要生产的所述工件零件的至少一个预定轮廓(X、Y)确定所述加工激光束在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹(X、Y)；
-存储器单元(38)，能够从所述存储器单元(38)中检索选自以下各者的至少一个预定参数：所述切割头运动单元(32)的运动参数、所述激光束运动单元(30)的运动参数以及切割轮廓与预定轮廓的偏差参数；以及
-优化模块(40)，所述优化模块(40)用于基于能够从所述存储器单元(38)中检索的至少一个预定参数，通过将所述加工激光束经由所述切割头(20)的运动与所述加工激光束经由所述激光束运动单元(30)的所述高频光束成形运动叠加来调节所述运动轨迹(X，Y)。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述优化模块(40)配置成用于通过在所述切割头运动单元(32)与所述激光束运动单元(30)之间冗余地划分所述加工激光束的所述运动轨迹来优化所述运动轨迹(X；Y)；并且/或者
其中，所述优化模块(40)配置成用于调节和/或优化选自以下各者的至少一个参数：所述切割头运动单元(32)的运动参数、所述激光束运动单元(30)的运动参数以及所述切割轮廓与所述预定轮廓的偏差参数，特别地配置成用于预先确定所述至少一个预定参数。
3.根据权利要求1或2所述的装置，
其中，所述切割头运动单元的运动参数是选自以下各者的至少一个参数：
-切割头运动单元的动态极限(DG)，
-所述切割头运动单元在所述预定轮廓的角度处的圆度公差(VT)，以及
-所述切割头运动单元在所述预定轮廓的半径处的圆度公差(VT)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，
其中，所述激光束运动单元的运动参数是选自以下各者的至少一个参数：
-所述激光束运动单元的动态极限(DG)；以及
-能够利用所述激光束运动单元产生的所述加工激光束的最大运动振幅。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，切割轮廓与所述预定轮廓(X、Y)的所述偏差参数是选自以下各者的至少一个参数：
-估计的偏差，
-由测量偏差产生的参数，
-所述切割轮廓在所述预定轮廓的角度处的圆度，
-所述切割轮廓在所述预定轮廓的半径处的圆度，
-切割边缘的估计的表面缺陷(OD)，以及
-由切割边缘的测量的表面缺陷产生的参数。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，用于调节所述运动轨迹的所述优化模块(40)是基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的圆度公差(VT)设计的，并且用于补偿所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，在所述存储器单元(38)中存储有表示移动切割头(20)的运动学行为的机器模型(MM)，并且所述机器模型(MM)估计作为所述切割头运动单元的运动参数的切割头运动的状态数据和作为另一参数的所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述优化模块(40)与所述存储器单元(38)进行数据通信以用于读取所述机器模型。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，所述优化模块设计成基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的动态极限(DG)来调节所述运动轨迹。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，在所述存储器单元(38)中存储有表示所述激光切割过程并估计作为参数的所述激光切割过程的状态数据和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差的过程模型，并且其中，所述优化模块(40)与所述存储器单元进行数据通信以用于读取所述过程模型。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，所述控制单元(34)包括预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库，并且所述激光束运动单元(30)设计成引起所述加工激光束的所述焦点在呈基于所述数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，以数据传输的方式连接至所述存储器单元(38)的检测器装置(50)设置在所述切割头(20)上或所述切割头(20)中，以用于测量作为所述切割轮廓与所述预定轮廓(X，Y)的所述偏差参数的切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕；并且/或者
其中，在所述存储器单元(38)中存储有用于估计切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕的模型(MOD)，所述模型(MOD)估计作为参数的表面缺陷(OD)和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述优化模块(40)与所述存储器单元进行数据通信，以便读取用于估计表面缺陷的所述模型。
12.一种用于利用根据权利要求1至11中的一项所述的用于激光切割工件和生产工件零件的装置(10；100)激光切割工件(12)和生产工件零件的方法，其中，在所述接口(22)处设置有用于产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的加工激光束的激光源(60、62)，
所述方法包括以下步骤：
-(S1)：借助于所述控制单元(34)的所述确定模块(36)，根据要生产的所述工件零件的至少一个预定轮廓(X、Y)确定所述加工激光束(24)在至少一个工件平面中的至少一个运动轨迹；
-(S2)：借助于所述控制单元(34)的所述优化模块(40)，基于能够从所述存储器单元中检索的所述至少一个预定参数，通过将所述加工激光束经由所述切割头(20)的运动与所述加工激光束经由所述动态激光束运动单元(30)的所述高频光束成形运动叠加来调节所述运动轨迹；
-(S3)：产生功率为至少200W、优选地为至少1kW的所述加工激光束(24)，并且利用所述加工激光束切割所述工件；以及
-(S4)：根据调节后的运动轨迹(X°、Y°)，使所述加工激光束(24)经由所述切割头(20)在所述工件上移动，并且经由所述激光束运动单元(30)执行所述加工激光束至少垂直于所述加工激光束的传播方向的高频光束成形运动。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中，所述调节包括通过在所述切割头运动单元(32)与所述激光束运动单元(30)之间冗余地划分所述加工激光束(24)的所述运动轨迹来优化所述运动轨迹(X；Y)；并且/或者
其中，调节和/或优化选自以下各者的至少一个参数：所述切割头运动单元(32)的运动参数、所述激光束运动单元(30)的运动参数以及所述切割轮廓与所述预定轮廓的偏差参数，特别地以用于预先确定所述至少一个预定参数。
14.根据权利要求12或13所述的方法，
其中，所述调节基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的圆度公差(VT)来执行，并且包括补偿所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，
其中，在所述存储器单元(38)中存储表示移动切割头(20)的运动学行为的机器模型(MM)，并且所述机器模型(MM)估计作为所述切割头运动单元(32)的运动参数的切割头运动的状态数据和作为另一参数的所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述调节包括将所述机器模型从所述存储器单元读取到所述优化模块(40)中。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，
其中，基于所述切割头运动单元(32)的至少一个增加的动态极限(DG)来执行所述调节。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，
其中，所述存储器单元(38)存储表示所述激光切割过程并估计作为参数的所述激光切割过程的状态数据和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差的过程模型，并且其中，所述调节包括将所述过程模型从所述存储器单元读取到所述优化模块中。
18.根据权利要求12至17中的任一项所述的方法，
其中，所述控制单元(38)包括预先确定的2维和/或3维Lissajous图形的数据库，并且所述激光束运动单元(30)引起所述加工激光束的焦点在呈基于所述数据库的Lissajous图形或多于一个的Lissajous图形的组合的形式的焦点振荡路径上的高频振荡。
19.根据权利要求12至18中的任一项所述的方法，
其中，以数据传输的方式连接至所述存储器单元(38)的检测器装置(50)设置在所述切割头(120)上或所述切割头(120)中，并且所述检测器装置测量作为所述切割轮廓与所述预定轮廓的偏差参数的切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕；并且/或者
其中，用于估计所述切割边缘的表面缺陷、特别是刻痕的模型(MOD)存储在所述存储器单元(38)中，所述模型估计作为参数的表面缺陷和所述切割轮廓与所述预定轮廓的结果偏差，并且其中，所述调节包括将用于估计表面缺陷的所述模型从所述存储器单元(38)读取到所述优化模块(40)中。
20.根据权利要求12至19中的任一项所述的方法，
其中，所述方法在利用由所述确定模块(38)确定的所述至少一个运动轨迹执行的所述工件的先前激光切割之后执行。
21.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括一个或更多个程序模块，所述程序模块使根据权利要求1至11中的任一项所述的装置执行根据权利要求12至20中的任一项所述的方法步骤，特别地在所述程序模块被加载到所述装置的存储器中时使根据权利要求1至11中的任一项所述的装置执行根据权利要求12至20中的任一项所述的方法步骤，特别地，所述计算机程序产品包括选自所述确定模块和所述优化模块的至少一个元件。
22.一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储有根据权利要求21所述的计算机程序产品。
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