DE10040920A1 - Prozesssteuerung zur Laser-, Materialbearbeitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft den Bereich der Materialbearbeitung mittels Laser, insbesondere Hochleistungsdiodenlaser oder anderer Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden können. Gegenstand der Erfindung ist eine Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung, bevorzugt zum Schweißen, aber auch zum Oberflächenreinigen, Auftragsschweißen, Schneiden, Bohren, Gravieren und dgl. Die erfindungsgemäße Prozesssteuerung ist besonders in solchen Anlagen vorteilhaft anwendbar, in denen ein handgeführter Bearbeitungskopf verwendet wird. DOLLAR A Ziel der Erfindung ist, einen Bearbeitungskopf zur Verfügung zu haben, der selbsttätig auf sich ändernde Prozessparameter reagiert, ohne dass motorisch angetriebene Achsen für das Verfahren auf dem Werkstück zwingend vorhanden sein müssen. DOLLAR A Dazu wurden bekannte zur Funktionen und für die Lasersicherheit zwingend erforderliche Elemente mit erfinderischen Merkmalen kombiniert. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die am Düsenende eines Bearbeitungskopfes angeordneten Führungselemente mit Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmern zu versehen und zur Steuerung von Prozessparametern bei der Laser-Materialbearbeitung zu nutzen. Insbesondere wird die Laserleistung als zu beeinflussende Größe angesehen. DOLLAR A Beim Laserschweißen bietet sich an, zusätzlich den Vorschub des Zusatzdrahtes auf diese Art zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Materialbearbeitung mittels Laser, insbesondere Hochleistungsdiodenlaser oder anderer Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden können. Gegenstand der Erfindung ist eine Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung, bevorzugt zum Schweißen, aber auch zum Oberflächenreinigen, Auftragsschweißen, Schneiden, Bohren, Gravieren und dgl.. Die erfindungsgemässe Prozesssteuerung ist besonders in solchen Anlagen vorteilhaft anwendbar, in denen ein handgeführter Bearbeitungskopf verwendet wird. Systemkomponenten sind im wesentlichen der erwähnte Bearbeitungskopf mit Anordnungen zum Strahlungsschutz, zur Abstandsregulierung und zur Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserquelle, die Stromversorgung mit Regelung und eine Sicherheitssensorik.

Der Stand der Technik auf dem in Rede stehenden Gebiet hält verschiedene Systeme zur Materialbearbeitung mit handgeführten Laserbearbeitungsköpfen bereit, wobei unter "handgeführt" überwiegend zu verstehen ist, daß der Laserbearbeitungskopf mit Hand auf das Werkstück aufgesetzt und mittels einer motorisch betriebenen Antriebseinheit auf diesem geführt wird.

Es erscheint aber wünschenswert, einen Bearbeitungskopf zur Verfügung zu haben, der eine freie Einhandführung ermöglicht, d. h., der ohne Antriebseinheit für die Bewegung auf dem Werkstück auskommt.

In der DE 198 39 482 wird ein Materialbearbeitungssystem mittels Hochleistungsdiodenlaser vorgestellt, das einen derartigen Bearbeitungskopf beinhaltet.

Dieser Bearbeitungskopf soll durch die nachfolgend vorgestellte Erfindung im Gebrauchswert verbessert werden, und zwar unter der Prämisse, dass die zu entwickelnde Lösung sowohl für Hochleistungsdiodenlaser als auch, wie bereits erwähnt, für alle anderen Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden, anwendbar ist. Konkret ist eine Prozesssteuerung für die Laserleistung anzugeben, die von der Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück ausgeht. Darüber hinaus ist nach Möglichkeiten zu suchen, weitere Prozessparameter, die im engen Zusammenhang mit der Verfahrgeschwindigkeit stehen, auf dieser Basis zu beeinflussen. Ziel ist, einen Bearbeitungskopf zur Verfügung zu haben, der selbsttätig auf sich ändernde Prozessparameter reagiert, ohne dass motorisch angetriebene Achsen für das Verfahren auf dem Werkstück zwingend vorhanden sein müssen. Dazu sind bekannte zur Funktion und für die Lasersicherheit zwingend erforderliche Elemente mit erfinderischen Merkmalen zu kombinieren.

Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die am Düsenende eines Bearbeitungskopfes angeordneten Führungselemente mit Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmern zu versehen und zur Steuerung von Prozessparametern bei der Laser-Materialbearbeitung zu nutzen. Insbesondere wird die Laserleistung als zu beeinflussende Grösse angesehen. Beim Laserschweissen bietet sich an, zusätzlich den Vorschub des Zusatzdrahtes auf diese Art zu steuern.

Die Leistungssteuerung basiert auf der Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungsfleckes auf dem Werkstück. Wie die Verfahrgeschwindigkeit letztlich realisiert wird, ob von Hand oder durch eine motorisch angetriebene Einrichtung ist für die in Rede stehende Leistungssteuerung unbedeutend. Allerdings wären lasergerechte Schweißungen, aber auch andere Bearbeitungen von Werkstücken, von Hand ohne diese Steuerung kaum realisierbar. Zumindest hält der Stand der Technik derzeit keine Lösungen bereit, die ohne erfinderisches Zutun direkt anwendbar sind.

Bei der Geschwindigkeits-Leistungsregelung wird eine Art Wertzuweisung vorgenommen oder ein Berechnungsalgorithmus in Abhängigkeit von der Materialart, Laser und Optik gewählt, wobei vorher experimentell ermittelte Kennlinien oder berechnete Kennlinien herangezogen werden. Zunächst ist die Bearbeitungs- oder Verfahrgeschwindigkeit in unterschiedlicher Weise, individuell oder maschinell, vorgegeben. Die Geschwindigkeit wird berührungslos über ein optisches System oder berührend mittels einer mechanischen Einrichtung aufgenommen. Ein Mikrocontroller, vorzugsweise im Bearbeitungskopf befindlich, übernimmt die Signalverarbeitung. Die Signalauswertung ergibt ein Steuersignal, welches die Beziehung zwischen der Laserleistung und der Vorschubgeschwindigkeit beschreibt. Die Steuerung erfolgt innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung der Laserleistung bewirkt. Die berechneten oder experimentell ermittelten Kennlinien der Laserleistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit werden bei Variation der Prozessparameter, beispielsweise Materialart oder Materialdicke, vom Programmspeicher abgefragt. Das ermittelte Steuersignal dient dann der Veränderung der Laserleistung.

Die beschriebene Geschwindigkeits-Leistungssteuerung eignet sich für Anlagen mit Hochleistungsdiodenlasern und andere Laseranlagen, zum Beispiel solche mit Festkörperlasern, mit hand- oder maschinengeführten Bearbeitungskopf, wobei dieser vorteilhafterweise die apparativen Mittel für die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung aufnimmt.

Bei Laserschweißgeräten ist auch der Vorschub des Zusatzdrahtes in der vorbeschriebenen Art und Weise steuerbar. Die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung ist wie die Geschwindigkeits- Leistungssteuerung im oder am Bearbeitungskopf realisiert. Sie ermöglicht das Laserhand- oder -maschinenschweißen mit Zusatzwerkstoff auf der Basis von Hochleistungsdiodenlasern und anderen Laserquellen.

Prinzipiell finden die gleichen Abläufe statt, mit dem Unterschied, dass das Ergebnis der Signalauswertung ein Steuersignal ist, welches die Beziehung zwischen Zusatzdrahtvorschub und Verfahrgeschwindigkeit beschreibt. Die Steuerung erfolgt innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung des Zusatzdrahtvorschubs bewirkt. Die Kennlinien des Zusatzdrahtvorschubs in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, die entweder berechnet oder aus Experimenten ermittelt wurden, werden bei Variation der Schweißparameter, beispielsweise der Materialart, -dicke oder der Spaltbreite, vom Programmspeicher abgefragt. Das ermittelte Signal dient dann ebenfalls der Ansteuerung einer Zusatzdrahtvorschubeinheit, bestehend aus Motor, Ansteuereinheit, Drahtführungssystem und Drahtvorrat.

In einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung nachfolgend anhand eines Bearbeitungskopfes für einen Hochleistungsdiodenlaser mit freier Handführung, d. h. ohne motorisch betriebene Antriebseinheit, näher erläutert. Hierzu werden zwei Zeichnungen herangezogen.

In Fig. 1 ist die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung skizziert. Fig. 2 zeigt die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung in schematischer Darstellung.

Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten: 1 Mikrocontroller,
2 Inkrementalgeber,
3 D/A-Wandler,
4 Wegaufnehmer,
5 Elemente zur Kommunikation,
6 Elemente zur Laserfreigabe,
7 Elemente zur Lasersicherheit,
8 Elemente zur Status- und Parameteranzeige,
9 Netzteil,
10 Sensor,
11 Elemente zur Zusatzdrahtfreigabe,
12 Zusatzdrahtvorschubeinheit.

Der für das Ausführungsbeispiel herangezogene einhandgeführte Bearbeitungskopf weist neben anderen die nachfolgend aufgeführten Komponenten auf:

• - Kamera und Optik zur Prozessbeobachtung, wobei der Arbeitsbereich direkt einsehbar oder vorzugsweise auf einem Display am Bearbeitungskopf zu verfolgen ist;
• - Drei unabhängig voneinander wirkende Sicherheitskreise, nämlich einen mechanischen Taster, der erkennt, ob der Bearbeitungskopf auf dem Werkstück aufliegt, weiterhin einen induktiven Geber zur Metallerkennung und schliesslich eine softwaregesteuerte Kontrollfunktion mittels Mikrokontroller;
• - Schalter zur Programmwahl;
• - Bearbeitungsdüse;
• - LED-Ring zur Ausleuchtung des Arbeitsbereiches;
• - Bürstenkranz und Lamellenumhüllung zum Streustrahlungsschutz;
• - An der Düse angeordnete Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer, vorzugsweise Laufräder oder Kugeln, gleichzeitig als Abstandshalte- und -regeleinrichtung;
• - Zusatzdrahtzuführung;
• - Temperaturüberwachung des Bearbeitungskopfes;
• - Schutzglas koaxial und cross jet;
• - Schutzglasüberwachung mittels Thermoelement unter Nutzung eines schubladenartigen Schutzglasträgers, der sich im Strahlengang der Bearbeitungsoptik befindet und aus diesem leicht entfernbar bzw. in diesen einsetzbar ist.
• - Status- und Parameteranzeige am Bearbeitungskopf,
• - Beweglicher Düsenaufsatz an der Bearbeitungsdüse zum Zweck der dynamischen Anpassung des Streustrahlungsschutzes an das zu bearbeitende Werkstück.

Für eine optimale und sichere Arbeitsweise sind die aufgelisteten Merkmale teilweise unverzichtbar bzw. zweckmäßig.

Sie sind ergänzt durch eine Geschwindigkeits-Leistungssteuerung und, da es sich im gewählten Beispiel um ein Laserschweißgerät handelt, durch eine Geschwindigkeits- Zusatzdrahtvorschubsteuerung. Beide Steuerungen benutzen im wesentlichen die gleichen apparativen Mittel. Sie wirken somit eng zusammen, sind aber auch einzeln benutzbar.

Gemäß Fig. 1 besteht die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung aus einem Mikrocontroller 1 zur Signalverarbeitung, -auswertung und -generierung, einem D/A-Wandler 3 und einem Inkrementalgeber 2 als zentrale Einheit. Der Inkrementalgeber 2 bezieht Signale von einem Wegaufnehmer 4, hier in Form eines Laufrades in Verbindung mit einem Sensor 10. Dem Mikrocontroller 1 sind Elementen zur Kommunikation 5 in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung zugeordnet. Er gibt darüber hinaus Informationen an Elemente zur Laserfreigabe 6, zur Lasersicherheit 7 und zur Status- und Parameteranzeige 8 ab. Der D/A-Wandler ist mit einem Netzteil 19 verbunden. Über die genannten Elemente sind somit Wirkverbindungen zum Lasertreiber, zur Laserquelle und zur Bearbeitungsdüse hergestellt.

Gemäß Fig. 2 ist die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung prinzipiell gleich aufgebaut. Hier gibt der D/A-Wandler 3 das Steuersignal an die Zusatzdrahtvorschubeinheit 12 aus. Der Mikrocontroller 1 gibt zusätzlich Informationen an Elemente zur Zusatzdrahtfreigabe 11 ab.

Die Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer sind düsenausgangsseitig angeordnet.

Claims (7)

1. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung mittels Hochleistungsdiodenlaser oder anderer Laser, deren Wellenlängen durch Lichtwellenleiter übertragen werden können, mit frei einhandgeführten oder maschinengeführten Bearbeitungsköpfen, vorzugsweise aber solchen ohne motorische Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Geschwindigkeits-Leistungssteuerung vorgesehen ist, bei der die individuell oder maschinell vorgegebene Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück mit vorher experimentell ermittelten oder berechneten Kennlinien der Laserleistung in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit in einem Mikrocontroller (1) verglichen und zu einem Steuersignal verarbeitet wird, welches innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls eine Änderung der Laserleistung bewirkt,
und zur apparativen Umsetzung ein Mikrokontroller (1) zur Signalverarbeitung, -auswertung und -generierung, ein D/A-Wandler (3) und einen Inkrementalgeber (2) vorgesehen sind, wobei dem Inkrementalgeber (2) ein Wegaufnehmer (4), dem Mikrocontroller (1) Elemente zur Kommunikation (5) in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung und solche zur Laserfreigabe (6), zur Lasersicherheit (7) und zur Status- und Parameteranzeige (8) und dem D/A-Wandler (3) ein Netzteil (9) zugeordnet ist, und damit Wirkverbindungen zum Lasertreiber, zur Laserquelle und zur Bearbeitungsdüse realisiert sind, dass optional eine Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung vorgesehen ist, bei der die individuell oder maschinell vorgegebene Verfahrgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück mit vorher experimentell ermittelten oder berechneten Kennlinien für den Zusatzdrahtvorschub in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit in einem Mikrocontroller (1) verglichen und zu einem Steuersignal verarbeitet wird, welches innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls eine Änderung des Zusatzdrahtvorschubs bewirkt,
und zur apparativen Umsetzung der Mikrocontroller (1) der D/A-Wandler (3) und der Inkrementalgeber (2), der mit dem Wegaufnehmer (4) in Verbindung steht, verfügbar sind, ebenso die dem Mikrocontroller (1) zugeordneten Elemente zur Kommunikation (5) in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung, zur Laserfreigabe (6), zur Lasersicherheit (7) und zur Status- und Parameteranzeige (8), wobei dem Mikrocontroller (1) zusätzlich Elemente für die Zusatzdrahtfreigabe (11) zugeordnet sind, und der D/A-Wandler (3) mit einer Zusatzdrahtvorschubeinheit (12) gekoppelt ist, wodurch Wirkverbindungen zum Lasertreiber, zur Laserquelle und zur Bearbeitungsdüse bestehen,
und dass die Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmer am Ende der Bearbeitungsdüse angeordnet sind.

2. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsvorgabe ohne motorisch angetriebene Achsen erfolgt und dass zur Aufnahme der Geschwindigkeit bzw. des Weges ein optisches oder mechanisches System vorgesehen ist.

3. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Signalverarbeitung im Mikrocontroller (1) ein Steuersignal ist, das die Beziehung zwischen Vorschubgeschwindigkeit und Laserleistung beschreibt, wobei das Steuersignal zur Steuerung der Laserleistung dient und die Steuerung innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung der Laserleistung nach sich zieht, erfolgt.

4. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Signalverarbeitung im Mikrocontroller (1) ein Steuersignal ist, das die Beziehung zwischen Zusatzdrahtvorschub und Verfahrgeschwindigkeit beschreibt, wobei das Steuersignal der Ansteuerung der Zusatzdrahtvorschubeinheit (12), bestehend aus Motor, Motoransteuerung, Drahtführungssystem und Drahtvorrat, dient und die Steuerung innerhalb eines Geschwindigkeitsintervalls, in dem eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit eine Änderung des Zusatzdrahtvorschubs nach sich zieht, erfolgt.

5. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten oder experimentell ermittelten Kennlinien der Laserleistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bei Variation der Prozessparameter, beispielsweise Materialart oder Materialdicke, vom Programmspeicher abfragbar sind und dass das ermittelte Steuersignal der Veränderung der Laserleistung dient.

6. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung nach Anspruch 1, nämlich dem Laserschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien des Zusatzdrahtvorschubs in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit, die entweder berechnet oder aus Experimenten ermittelt wurden, bei Variation der Schweissparameter, beispielsweise der Materialart, -dicke oder der Spaltbreite, vom Programmspeicher abfragbar sind und dass das ermittelte Signal der Ansteuerung der Zusatzdrahtvorschubeinheit (12) dient.

7. Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeits-Leistungssteuerung als auch die Geschwindigkeits-Zusatzdrahtvorschubsteuerung in anderen Laseranlagen, beispielsweise mit Festkörperlasern, die entweder hand- oder maschinengeführt sind, verwendbar sind.