DE102010040871B3

DE102010040871B3 - Verfahren zum Prüfen einer in einer Laserbearbeitungsmaschine eingebauten Gasdüse und zugehörige Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102010040871B3
Application number: DE102010040871A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Ritter; Volker Metsch; Jan-Patrick Hermani
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: CN102528299B; CN102528299A

Abstract

Zum Prüfen einer in einer Laserbearbeitungsmaschine (1) eingebauten Gasdüse (10), die einen Gasstrahl (11) an eine Bearbeitungsstelle (12) lenkt, wird erfindungsgemäß der Druck des aus der eingebauten Gasdüse (10) ausgetretenen Gasstrahls (11) in einer in einem beliebigen Winkel zur Düsenachse (16) verlaufenden Messfläche (17) ortsaufgelöst gemessen. Die zugehörige Laserbearbeitungsmaschine (1) umfasst neben einer Gasdüse (10), die einen Gasstrahl (11) an eine Bearbeitungsstelle (12) lenkt, erfindungsgemäß eine Druckmessvorrichtung (13) zur ortsaufgelösten Druckmessung des aus der eingebauten Gasdüse (10) ausgetretenen Gasstrahls (11) in einer in einem beliebigen Winkel zur Düsenachse (16) verlaufenden Messfläche (17).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer in einer Laserbearbeitungsmaschine eingebauten Gasdüse, die einen Gasstrahl an eine Bearbeitungsstelle lenkt, sowie eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine.
Für eine stabile und qualitativ hochwertige Laserbearbeitung ist eine auf die jeweilige Bearbeitung abgestimmte, beschädigungsfreie Gasdüse erforderlich, die einen definierten Gasstrahl auf die Bearbeitungsstelle lenkt. So hat beispielsweise beim Laserstrahlschneiden der mechanische Zustand der Schneidgasdüse Auswirkungen auf das Bearbeitungsergebnis. Wird die Schneidgasdüse durch Kollisionen mit dem Blech oder durch Spritzer mechanisch beschädigt, wird das Bearbeitungsergebnis schlechter. Mögliche Folgen sind Gratbildung, nicht freigeschnittene Teile oder sogar Schnittabriss.
Der fehlerfreie Zustand einer Gasdüse wird derzeit durch den Maschinenbediener visuell sichergestellt. Allerdings kann diese subjektive Prüfung der Gasdüsen den versehentlichen Einbau einer falschen oder beschädigten Gasdüse, die zu hohen Kosten durch Fehlproduktion führen kann, nicht zuverlässig verhindern.
Aus der DE 10 2007 061 718 B3 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands einer Düsenöffnung an einer Laserbearbeitungsdüse bekannt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Gasströmung durch die Düsenöffnung, Messen eines beim Austritt der Gasströmung aus der Düsenöffnung erzeugten Strömungsgeräuschs, sowie Auswerten des gemessenen Strömungsgeräuschs zum Bestimmen der Abmessung und/oder des Zustands der Düsenöffnung.
Aus der DE 100 54 756 C1 ist eine Verschleißkontroll-Einrichtung für Schneiddüsen von Laserschneidmaschinen bekannt. Die Verschleißkontroll-Einrichtung besteht aus einer unter die Schneiddüse des Schneidkopfes positionierbaren Kameraeinheit, die eine Funktionskontrolle von Schneiddüsen in Schneidkopf-Anordnung ermöglicht.
Auch aus der JP 2005 334 922 A ist es bekannt, bei einer Laserbearbeitungsanlage die Düsenspitze einer Laserbearbeitungsdüse mittels einer CCD-Kamera optisch zu prüfen.
Schließlich ist aus der DE 102 02 424 C1 noch die automatische Erkennung von Schneiddüsen bekannt, wobei den Schneiddüsen ein Gas unter definiertem Druck zugeführt und der zeitliche Druckabfall gemessen wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsmaschine anzugeben, mit denen beschädigte oder verwechselte Gasdüsen zuverlässig erkannt werden können.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass zum Prüfen der Gasdüse der Druck des aus der eingebauten Gasdüse ausgetretenen Gasstrahls in einer in einem von 0° verschiedenen Winkel, vorzugsweise rechtwinklig, zur Düsenachse verlaufenden Messfläche ortsaufgelöst gemessen wird. Die Messfläche kann eben oder uneben, z. B. gewölbt, ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß wird eine in der Laserbearbeitungsmaschine eingebaute Gasdüse über eine ortsaufgelöste bzw. 2-dimensionale Druckmessung des austretenden Gasstrahls überprüft. Beschädigte oder falsch ausgewählte Gasdüsen beeinflussen den austretenden Gasstrahl, so dass anhand des gemessenen Strömungsverlaufs und Druckprofils die Gasdüse bezüglich des Düsentyps identifiziert und hinsichtlich des Beschädigungsgrads qualifiziert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass ausschließlich solche Beschädigungen bzw. fehlerhafte Düsen erkannt werden, die den Gasstrahl beeinflussen, und dass Beschädigungen z. B. der Düsenaußengeometrie, die den Gasstrahl und somit die Bearbeitung nicht beeinflussen, ignoriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht außerdem eine objektive und damit standardisierte Prüfung von eingebauten Gasdüsen.
Erfindungsgemäß ist also sichergestellt, dass die tatsächlich gewünschte Düse verwendet wird und keine Verwechslung von Gasdüsen durch den Maschinenbediener oder eine automatische Wechselvorrichtung stattgefunden hat. Zudem wird erkannt, dass die Gasdüse nicht derart beschädigt ist, dass der austretende Gasstrahl gegenüber einer nicht beschädigten Düse signifikant verändert ist.
Insbesondere für eine reproduzierbare Druckmessung ist es vorteilhaft, wenn sich die Messfläche in einem vorbestimmten Abstand zur eingebauten Gasdüse befindet und die eingebaute Gasdüse mit einem vorbestimmten Gasdruck betrieben wird.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird das ortsaufgelöst gemessene Druckprofil der eingebauten Gasdüse mit einem Referenz-Druckprofil verglichen und bei Überschreiten einer vorbestimmten Abweichung die eingebaute Gasdüse als fehlerhaft klassifiziert. Durch Vergleich des gemessenen Druckprofils mit dem Referenz-Druckprofil des gewünschten Düsentyps kann die eingebaute Gasdüse sowohl auf Beschädigung als auch auf den korrekten Düsentyp überprüft werden.
In einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante wird das ortsaufgelöst gemessene Druckprofil der eingebauten Gasdüse auf Symmetrieeigenschaften überprüft und bei Überschreiten einer vorbestimmten Symmetrieabweichung die eingebaute Gasdüse als fehlerhaft klassifiziert. Beispielsweise weisen Gasdüsen mit runder Düsenöffnung ein bezüglich der Düsenachse rotationssymmetrisches Druckprofil auf, so dass ein gemessenes Druckprofil, das diese Rotationssymmetrie nicht aufweist, eine beschädigte Gasdüse anzeigt. Diese Verfahrensvariante ist unabhängig vom Abstand der Messfläche zur Gasdüse und von dem an der Gasdüse anliegenden Gasdruck.
Der Druck des aus der eingebauten Gasdüse ausgetretenen Gasstrahls kann auf dem gesamten Gasstrahlquerschnitt ortsaufgelöst gemessen werden, um ein vollflächiges 2-dimensionales Druckprofil zu erhalten. Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, den Druck des aus der eingebauten Gasdüse ausgetretenen Gasstrahls nur entlang einer definierten Bahn um die Düsenachse zu messen und folglich im Falle einer unbeschädigten Gasdüse einen bestimmten charakteristischen Druckverlauf zu messen. Bei Gasdüsen mit kreissymmetrischer Düsenöffnung wird die Messung des Drucks des aus der eingebauten Gasdüse ausgetretenen Gasstrahls entlang einer um die Düsenachse konzentrischen Kreisbahn im Falle einer unbeschädigten Gasdüse eine Isobare des Druckprofils ergeben. Abweichungen von diesem charakteristischen, bspw. isobaren Druckprofil können zweifelsfrei Beschädigungspositionen und -graden zugeordnet werden, da Beschädigungen an der Düse (z. B. am Auslaufradius) zu einer Veränderung der Strömungsverhältnisse führen. Anhand der Abweichung des Messergebnisses von dem idealen charakteristischen Druckverlauf, wie bspw. der idealen Isobaren, kann der Zustand einer Gasdüse über regelmäßige Messzyklen während einer Maschinennebenzeit dokumentiert und rechtzeitig ein Austausch der Gasdüse veranlasst werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Gasdüse, die einen Gasstrahl an eine Bearbeitungsstelle lenkt, wobei erfindungsgemäß eine Druckmessvorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung des aus der eingebauten Gasdüse ausgetretenen Gasstrahls in einer in einem von 0° verschiedenen Winkel, vorzugsweise rechtwinklig, zur Düsenachse verlaufenden Messfläche vorgesehen ist. Für eine reproduzierbare Druckmessung ist die Druckmessvorrichtung vorzugsweise in einem vorbestimmten Abstand zur eingebauten Gasdüse angeordnet. Die Messfläche kann eben oder uneben, z. B. gewölbt, ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Druckmessvorrichtung ein Drucksensorenarray (2-dimensionale Matrixanordnung von Drucksensoren) auf, das beispielsweise als Prallplatte im ausgetretenen Gasstrahl angeordnet wird und somit das aus der Gasdüse ausströmende Gas staut. In Folge dessen bildet sich ein für jeden Düsentyp charakteristischer Druckverlauf über das Drucksensorenarray aus. Anhand dieses Druckprofils kann die Gasdüse eindeutig identifiziert sowie eine Beschädigung der Gasdüse, welche den Gasstrahl beeinflusst und ein gegenüber dem charakteristischen Druckprofil geändertes Druckprofil generiert, erkannt werden. Die Sensorfläche des Drucksensorenarray ist bevorzugt größer als die Düsenöffnung der eingebauten Gasdüse und wird entsprechend dem zu messenden Strahlquerschnitt gewählt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckmessvorrichtung mindestens einen Drucksensor aufweist und dass die eingebaute Gasdüse und der Drucksensor relativ zueinander quer, vorzugsweise rechtwinklig, zur Düsenachse bewegbar sind. Wenn die Gasdüse zusammen mit einem Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsmaschine entlang den Maschinenachsen bewegt wird, kann der Drucksensor ortsfest angeordnet sein und die Gasdüse für eine ortsaufgelöste Druckmessung entsprechend verfahren werden. Wenn die Gasdüse ortsfest angeordnet ist, ist der Drucksensor in der Messfläche für eine ortsaufgelöste Druckmessung entsprechend bewegbar angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Druckmessvorrichtung mindestens einen Drucksensor mit einer vorgeordneten Lochblende auf, deren Blendenöffnung kleiner als die Sensorfläche des Drucksensors ist. Die Lochblende ist quer, vorzugsweise rechtwinklig, zur Düsenachse bezüglich des Drucksensors bewegbar, wodurch der Druck des Gasstrahls ortsaufgelöst abgescannt werden kann.
Es versteht sich, dass der Drucksensor auch durch einen Kraftaufnehmer mit bekannter Aufnehmerfläche gebildet sein kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung; und
2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen der Druckmessvorrichtung von 1.
Die in 1 schematisch gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 zum Laserschneiden von Werkstücken 2 umfasst einen Lasergenerator 3 zum Erzeugen eines Laserstrahls 4, eine externe Strahlführung 5 zum Führen des Laserstrahls 4 zu einem Bearbeitungskopf 6 sowie einen Arbeitstisch 7 mit einer Werkstückauflage 8. Der Bearbeitungskopf 6 ist in X-Richtung verfahrbar an einem Querträger 9 geführt, der die Werkstückauflage 8 übergreift und selbst in Y-Richtung verfahrbar am Arbeitstisch 7 geführt ist. Der Bearbeitungskopf 6 ist somit in einer zur Werkstückauflage 8 parallelen X-Y-Ebene verfahrbar.
Der Laserstrahl 4 tritt fokussiert durch eine wechselbare Gas- oder Schneiddüse 10 des Bearbeitungskopfes 6 aus, die auch einen Schneidgasstrahl 11 (2) auf die Bearbeitungsstelle 12 des Werkstücks 2 lenkt, um aufgeschmolzenes Material aus der Schnittfuge auszutreiben. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin eine Druckmessvorrichtung 13 zur ortsaufgelösten Druckmessung des aus der eingebauten Gasdüse 10 ausgetretenen Gasstrahls 11. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Druckmessvorrichtung 13 beispielhaft an einer Ecke des am Arbeitstischs 7 vorgesehen.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der Druckmessvorrichtung 13, bei der ein Drucksensorenarray 14, also eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Drucksensoren 15, ortsfest auf der Werkstückauflage 8 angeordnet ist und somit eine rechtwinklig zur Düsenachse 16 verlaufende ebene Messfläche (Messebene) 17 definiert. Zur Prüfung wird die Gasdüse 10 in einem definierten Abstand oberhalb des Drucksensorenarrays 14 angeordnet und mit einem vorbestimmten Gasdruck betrieben. Das Drucksensorenarray 14 wirkt als Prallplatte und staut den aus der Gasdüse 10 ausgetretenen Gasstrahl 11. In Folge dessen bildet sich ein für jeden Düsentyp charakteristischer Druckverlauf an dem Drucksensorenarray 14 aus, der vom Drucksensorenarray 14 gemessen wird. Anhand dieses gemessenen 2-dimensionalen Druckprofils kann die eingebaute Gasdüse 10 mit einem Referenz-Druckprofil für die gewünschte Gasdüse verglichen und eindeutig identifiziert werden. Eine den Gasstrahl 11 beeinflussende Beschädigung der Gasdüse 10 generiert ebenfalls eine Änderung des Druckprofils gegenüber dem charakteristischen Druckprofil und kann daher ebenfalls erkannt werden. Die Messgenauigkeit wird durch die Ortsauflösung des Drucksensorenarrays 14 und die Auflösung der Drucksensoren 15 bestimmt. Das Drucksensorenarray 14 sollte vorteilhaft größer als die kreisrunde Düsenöffnung 18 der eingebauten Gasdüse 10 sein und für eine vollflächige Messung mindestens dem Strahlquerschnitt des Gasstrahls 11 in der Messfläche 17 entsprechen.
Wie in 2 gestrichelt angedeutet, kann das Drucksensorenaray 14 eine zentrale Öffnung 19 aufweisen. Bei der Druckmessung wird die Gasdüse 11 zentrisch oberhalb der Öffnung 19 angeordnet, um einen Einstich aus dem Bearbeitungsprozess zu simulieren und Strömungsverhältnisse bzw. Druckverläufe zu erhalten, die eine größere Ähnlichkeit zu einem Laserbearbeitungsprozess haben.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Druckmessvorrichtung 13, bei der ein einzelner Drucksensor 30 ortsfest auf der Werkstückauflage 8 angeordnet ist und die ebene Messfläche 17 definiert. Für eine ausreichende Ortsauflösung ist die Sensorfläche des Drucksensors 30 vorteilhaft kleiner als die Düsenöffnung 18 der eingebauten Gasdüse 10. Zur Vermessung des Gasstrahls 11 wird die eingebaute Gasdüse 10 – in vorbestimmtem Abstand und mit vorbestimmtem Gasdruck – oberhalb des Drucksensors 30 in X und Y-Richtung verfahren und somit ein vollflächiges 2-dimensionales Druckprofil des Gasstrahls 11 gemessen, das dann wie oben beschrieben ausgewertet wird. Statt eines vollflächigen Druckprofils ist es auch möglich, den Gasdruck des Gasstrahls 11 nur entlang einer um die Düsenachse 16 konzentrischen Kreisbahn zu messen und folglich im Falle einer unbeschädigten Gasdüse 10 eine Isobare des Druckprofils zu messen. Abweichungen von diesem isobaren Druckprofil können zweifelsfrei Beschädigungspositionen und -graden zugeordnet werden, da Beschädigungen an der Gasdüse (z. B. am Auslaufradius) zu einer Veränderung der Strömungsverhältnisse führen. Anhand der Abweichung des Messergebnisses von der idealen Isobaren kann der Zustand der eingebauten Gasdüse 10 über regelmäßige Messzyklen während einer Maschinennebenzeit dokumentiert und rechtzeitig ein Austausch der eigebauten Gasdüse 10 veranlasst werden.
Wie in 3 gestrichelt angedeutet, kann dem Drucksensor 30 eine Lochblende 31 vorgeordnet sein, deren Blendenöffnung 32 kleiner als die Düsenöffnung 18 der eingebauten Gasdüse 10 ist, um die wirksame Sensorfläche des Drucksensors 30 zu reduzieren und so die Auflösung zu erhöhen.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Druckmessvorrichtung 13, die einen ortsfesten Drucksensor 40 mit einer vorgeordneten Lochblende 41 aufweist, deren Blendenöffnung 42 kleiner als die Sensorfläche des Drucksensors 40 ist. Die Lochblende 40 ist in einer zur Düsenachse 16 rechtwinkligen Ebene bewegbar gelagert, wodurch der Druck des Gasstrahls 11 ortsaufgelöst abgescannt werden kann.

Claims

Verfahren zum Prüfen einer in einer Laserbearbeitungsmaschine (1) eingebauten Gasdüse (10), die einen Gasstrahl (11) an eine Bearbeitungsstelle (12) lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Prüfen der Gasdüse (10) der Druck des aus der eingebauten Gasdüse (10) ausgetretenen Gasstrahls (11) in einer in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Düsenachse (16) verlaufenden Messfläche (17) ortsaufgelöst gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messfläche (17) in einem vorbestimmten Abstand zur eingebauten Gasdüse (10) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebaute Gasdüse (10) mit einem vorbestimmten Gasdruck betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ortsaufgelöst gemessene Druckprofil der eingebauten Gasdüse (10) mit einem Referenz-Druckprofil verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ortsaufgelöst gemessene Druckprofil der eingebauten Gasdüse (10) auf Symmetrieeigenschaften überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des aus der eingebauten Gasdüse (10) ausgetretenen Gasstrahls (11) auf dem gesamten Strahlquerschnitt ortsaufgelöst gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des aus der eingebauten Gasdüse (10) ausgetretenen Gasstrahls (11) entlang einer definierten Bahn um die Düsenachse (16) gemessen wird.
Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Gasdüse (10), die einen Gasstrahl (11) an eine Bearbeitungsstelle (12) lenkt, gekennzeichnet durch eine Druckmessvorrichtung (13) zur ortsaufgelösten Druckmessung des aus der eingebauten Gasdüse (10) ausgetretenen Gasstrahls (11) in einer in einem von 0° verschiedenen Winkel zur Düsenachse (16) verlaufenden Messfläche (17).
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung (13) in einem vorbestimmten Abstand zur eingebauten Gasdüse (10) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung (13) ein 2-dimensionales Drucksensorenarray (14) aufweist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfläche des Drucksensorenarray (14) größer als die Düsenöffnung (18) der eingebauten Gasdüse (10) ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorenarray (14) eine Öffnung (19) aufweist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung (13) mindestens einen Drucksensor (30, 40) aufweist und dass die eingebaute Gasdüse (10) und der Drucksensor (30, 40) relativ zueinander quer zur Düsenachse (16) bewegbar sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfläche des Drucksensors (30) kleiner als die Düsenöffnung (18) der eingebauten Gasdüse (10) ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drucksensor (30) eine Lochblende (31) vorgeordnet ist, deren Blendenöffnung (32) kleiner als die Düsenöffnung (18) der eingebauten Gasdüse (10) ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung (13) mindestens einen Drucksensor (40) mit einer vorgeordneten Lochblende (41) aufweist, die eine Blendenöffnung (42) kleiner als die Sensorfläche des Drucksensors (40) aufweist und bezüglich des Drucksensors (40) quer zur Düsenachse (16) bewegbar ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfläche des Drucksensors (40) größer als die Düsenöffnung (18) der eingebauten Gasdüse (10) ist.