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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Laserschneidprozesses sowie eine Laserschneidmaschine zum Laserschneiden von Werkstücken, insbesondere von Blechen.
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Bei einem Laserstrahlschneidprozess hat neben anderen Schneidparametern die Fokuslage des Laserstrahls großen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität des Werkstücks. Bisher wird die Position der Fokuslage des Laserstrahls, insbesondere die Position der Strahltaille auf dem zu bearbeitenden Werkstück, in der Regel offline ermittelt. Zu diesem Zweck können vor der eigentlichen Laserschneidaufgabe beispielsweise Linien in ein Testwerkstück geschnitten werden. Dabei wird die Fokuslage in diskreten Schritten variiert, so dass ein Kamm mit unterschiedlichen Schnittspaltbreiten entsteht. Anschließend wird die kleinste Schnittspaltbreite entweder manuell durch den Maschinenbediener oder mit Hilfe eines optischen Sensors ermittelt. Die kleinste Schnittspaltbreite bildet sich dort aus, wo die Fokuslage auf der Werkstückoberseite oder ggf. in der Werkstückmitte liegt.
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Aus der
EP 1750891 B1 ist ein Verfahren zur Fokuslageregelung bekannt, bei dem offline für unterschiedliche Fokuslagen des Laserstrahls bestimmt wird, ob der Randbereich des Laserstrahls in Kontakt mit dem Werkstück kommt. Dazu wird zunächst ein Schnittspalt in ein Werkstück geschnitten, wobei ggf. die Fokuslage durchgestimmt wird. Dann wird die Fokuseinstellung geändert und der Strahl erneut (an derselben Stelle) in den Schnittspalt gelenkt, wobei die Fokuslage ebenfalls durchgestimmt werden kann. Zur Detektion, ob der Laserstrahl hierbei in Kontakt mit dem Werkstück kommt, kann von dem Werkstück oder einem Plasma abgestrahlte Strahlung oder Prozesslicht detektiert werden.
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Aus der
DE 10 2009 059 245 B4 ist es bekannt, beim Laserbearbeiten die Fokuslage durch die Detektion von am Werkstück um einen Bearbeitungspunkt herum reflektierter und/oder gestreuter Laserstrahlung sowie anhand von Strahlung zu bestimmen, die von mindestens zwei Justierlichtquellen emittiert und an dem zu bearbeitenden Werkstück zurück reflektiert wird. In der
DE 10 2009 059 245 B4 wird unter anderem auf die
DE 10248458 B4 verwiesen, welche ein Verfahren offenbart, bei dem eine in einem Bearbeitungskopf angeordnete Fokussieroptik so verschoben wird, dass ein Anteil von aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück kommender Strahlung einen Maximalwert annimmt. Dieser Maximalwert wird erreicht, wenn die Fokuslage des Laserstrahls relativ zum Werkstück für die Bearbeitung optimal ist.
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In der
EP 0 252 268 A2 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Bearbeitungsprozesses mit einer Hochleistungsenergiequelle, insbesondere einem Laser, sowie eine Bearbeitungsoptik zur Durchführung desselben beschrieben. Bei dem Verfahren kann die Intensität der vom Werkstück zurück reflektierten Laserstrahlung während der Bearbeitung gemessen werden und die Bearbeitungsoptik kann in Abhängigkeit des Messergebnisses relativ zum Werkstück verfahren werden, bis die rückgestrahlten Laserstrahlen ein Minimum erreicht haben.
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Aufgabe der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Regelung eines Laserschneidprozesses und eine Laserschneidmaschine bereitzustellen, bei denen während eines Laserschneidprozesses die Schneidqualität optimiert werden kann.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst: Laserschneiden eines Werkstücks mittels eines fokussierten Laserstrahls unter Ausbildung eines Schnittspalts an dem Werkstück, Detektieren der Leistung von beim Laserschneiden von der Oberfläche des Werkstücks benachbart zum Schnittspalt zurück reflektierter Laserstrahlung, sowie Regeln der detektierten Laserleistung auf einen Sollwert, bei dem die Laserleistung einen minimalen Wert annimmt oder eine vorgegebene Differenz zu dem minimalen Wert aufweist.
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Während eines Laserschneidprozesses wird immer ein gewisser Anteil an Laserstrahlung von der Werkstückoberseite in den Strahlengang des Laserstrahls zurückreflektiert, da die geometrische Ausbreitung des Laserstrahls auf der Werkstückoberseite in der Regel größer ist als die entstehende Schnittspaltbreite. Die Erfinder haben erkannt, dass bei einer (insbesondere koaxialen) Detektion der von der Werkstückoberseite benachbart zum Schnittspalt, d. h. im Bereich der Flanken des Laserstrahls, rückreflektierter Laserstrahlung genau dann ein Minimum an Laserleistung gemessen wird, wenn der Laserstrahl das Werkstück mit minimaler Schnittspaltbreite schneidet. Je defokussierter der Laserstrahl die Werkstückoberseite ausleuchtet, desto mehr Laserstrahlung wird im Randbereich des Laserstrahls von der Werkstückoberseite zurück zum Detektor reflektiert, desto größer ist also die gemessene Strahlungsleistung.
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Die Regelung der detektierten Laserleistung kann auf einen Sollwert erfolgen, bei dem die Schnittspaltbreite minimal ist. Dies ist typischer Weise gleichbedeutend damit, dass sich die Fokuslage (in Strahlausbreitungsrichtung) an der Oberseite des Werkstücks befindet. Je nach Anwendung kann ggf. aber auch defokussiert geschnitten werden, um ein optimales Schneidergebnis zu erhalten, d. h. es kann günstig sein, wenn der Sollwert der Laserleistung nicht mit dem minimalen Wert übereinstimmt, so dass sich die Fokuslage des Laserstrahls nicht an der Werkstückoberseite befindet. Dies ist beispielsweise beim Brenn- oder Schmelzschneiden dicker Werkstücke der Fall.
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Bei einer Variante des Verfahrens wird in einem vorausgehenden Schritt eine Beziehung zwischen der detektierten Laserleistung und dem Abstand der Fokuslage des Laserstrahls zur Oberseite des Werkstücks bestimmt und anhand der Beziehung wird der Sollwert so festgelegt, dass die Fokuslage des Laserstrahls einen gewünschten Abstand zur Oberseite des Werkstücks aufweist. Bei dieser Variante wird anhand von Testmessungen, die z. B. an einem Testwerkstück durchgeführt werden können, eine Beziehung (Kennlinie) zwischen der gemessenen Laserleistung und der Fokuslage des Laserschneidstrahls ermittelt. Zu diesem Zweck können beispielsweise der Abstand zwischen einer Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls und dem Werkstück und/oder der Krümmungsradius eines ggf. vorhandenen Fokussierspiegels verändert und die dieser Abstandsänderung zugeordnete Änderung der detektierten Strahlungsleistung erfasst werden, um die gewünschte Kennlinie zu erhalten.
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Bei einer Weiterbildung dieser Variante wird die Beziehung für unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück bei der Ausbildung des Schnittspalts an dem Werkstück bestimmt. In der Regel hängt die Intensität der am Werkstück zurück reflektierten Laserleistung von der Vorschubgeschwindigkeit beim Laserschneiden ab. Diese Vorschubabhängigkeit kann bei einer Kalibration der Laserschneidmaschine bestimmt und bei der Prozessregelung berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise an einem Testwerkstück mehrere Kennlinien gemessen werden, die bei jeweils unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeit den Zusammenhang zwischen der zurück reflektierten Laserleistung und der Fokuslage des Laserstrahls abbilden.
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In einer weiteren Variante erfolgt in einem vorausgehenden Schritt ein Laserschneiden eines Werkstücks (Testschnitt) unter Ausbildung eines Schnittspalts, wobei der Abstand der Fokuslage des Laserstrahls zur Oberseite des Werkstücks variiert sowie die Intensität der reflektierten Laserleistung kontinuierlich gemessen bzw. detektiert wird. Anschließend wird die Gratbildung am Schnittspalt bzw. entlang der geschnitten Kanten untersucht, um einen Wertebereich der detektierten Laserleistung zu ermitteln, an dem die geschnittene Kante bzw. der Schnittspalt gratfrei ist. Die Schnittqualität bzw. die Gratbildung kann automatisiert mittels einer geeigneten Optik und Auswertung oder ggf. manuell durch einen Maschinenbediener beurteilt werden. Als Sollwert für die reflektierte Laserleistung wird ein Wert festgelegt, der innerhalb eines Wertebereichs liegt, bei dem der Schnittspalt bei dem Testschnitt eine gratfreie Schnittkante (genauer gesagt gratfreie Schnittkanten) aufweist. Der Testschnitt (z. B. in Form einer Linie als Schnittkontur) kann an demjenigen Werkstück vorgenommen werden, an dem auch der nachfolgende Laserschneidprozess erfolgt. Alternativ kann der Testschnitt an einem anderen Werkstück (Testwerkstück) vorgenommen werden, welches die gleichen Materialeigenschaften (sowie typischer Weise dieselbe Dicke) wie das zu schneidende Werkstück aufweist.
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Bevorzugt wird als Sollwert der Mittelwert des Wertebereichs der reflektierten Laserleistung festgelegt, bei dem der Schnittspalt eine gratfreie Kante aufweist. Typischer Weise ist die Schnittqualität in einem bestimmten Wertebereich der Laserleistung (entsprechend einem Wertebereich des Abstands zwischen Fokuslage und Werkstückoberseite) gut, d. h. der Schnitt ist (im Wesentlichen) gratfrei. Ein Sollwert der Laserleistung, welcher den Mittelwert dieses Leistungsbereichs bildet, ermöglicht eine prozesssichere Regelung des Laserschneidprozesses, bei der ein ggf. auftretendes Überschwingen nicht zu negativen Schneidergebnissen führt.
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In einer weiteren Variante wird zur Regelung der detektierten Laserleistung auf den Sollwert mindestens ein Parameter des Laserschneidprozesses verändert, welcher die Fokuslage des Laserstrahls beeinflusst. Beispielsweise kann der Abstand zwischen einer Fokussieroptik und dem Werkstück oder es können die optischen Eigenschaften (z. B. die Brennweite) einer adaptiven Fokussieroptik geeignet angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ können auch weitere Prozessparameter des Laserschneidprozesses, z. B. die Vorschubgeschwindigkeit oder die Strahlquellen-Leistung der Laserquelle, als Stellgrößen verwendet und geeignet angepasst werden.
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Bei einer weiteren Variante wird die vom Werkstück zurück reflektierte Laserstrahlung zum Zweck der Detektion mittels eines Auskoppelelements aus dem Strahlengang des Laserstrahls ausgekoppelt. Bei dieser auch als koaxial bezeichneten Art der Detektion wird der vom Werkstück in den Strahlengang des Laserstrahls zurück reflektierte Anteil der Laserstrahlungsleistung detektiert, indem dieser aus dem Strahlengang ausgekoppelt wird. Als Auskoppelelement kann ggf. ein teiltransmissiver Spiegel dienen, der nur in einem Bereich am Rand des Strahlengangs einen Anteil der auftreffenden Laserstrahlung transmittiert. Alternativ kann auch ein Umlenkspiegel so klein dimensioniert werden, dass die zurück reflektierte Laserstrahlung von diesem nicht umgelenkt wird und auf eine hinter dem Umlenkspiegel angeordnete Detektorfläche trifft.
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Bei einer besonders günstigen Ausführungsform dient als Auskoppelelement ein unter einem Winkel zur Laserstrahlachse ausgerichteter Scraper-Spiegel. Bei dem Scraper-Spiegel handelt es sich um einen Lochspiegel, dessen zentrische Durchtritts-Öffnung typischer Weise mittig auf der optischen Achse des Laserstrahls angeordnet wird. Sofern der Durchmesser der Durchtritts-Öffnung größer ist als der maximale Durchmesser des Bearbeitungsstrahls (bei einer Anordnung unter ca. 45° zur Strahlachse beträgt der Durchmesser typischer Weise mehr als das 1,5-fache des maximalen Durchmessers des Bearbeitungsstrahls) kann der Laserstrahl ungehindert durch das Loch im Scraper-Spiegel hindurch propagieren. Die zurück reflektierte Laserstrahlung trifft auf die reflektierende Oberfläche des Scraper-Spiegels außerhalb der Durchtritts-Öffnung und wird von dieser zum Detektor reflektiert. Der Winkel, unter dem der Scraper-Spiegel zur Laserstrahlachse ausgerichtet ist, kann beispielsweise bei 45° liegen, so dass die zurück reflektierte Laserstrahlung unter einem Winkel von 90° aus dem Strahlengang ausgekoppelt wird.
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Die Regelung des Laserschneidprozesses kann mit einer hohen Zeitauflösung erfolgen kann, da es für die Leistungsmessung ausreichend ist, einen einzigen integralen Messwert für die auf die Detektorfläche auftreffende Laserleistung zu erfassen, d. h. es ist in der Regel keine ortsaufgelöste Erfassung der Laserleistung notwendig. Eine hohe Zeitauflösung kann in diesem Fall mit einem schnellen Leistungs-Detektor bzw. Leistungs-Messkopf erreicht werden, dessen Messprinzip auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) beruht.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Laserschneidmaschine zum Laserschneiden von Werkstücken, umfassend: einen Laserschneidkopf zum Ausrichten eines Laserstrahls auf das Werkstück, eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls an einer Fokusposition in einem Abstand zur Oberseite des Werkstücks, mindestens eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Laserschneidkopf und dem Werkstück zur Ausbildung eines Schnittspalts an dem Werkstück, einen Detektor zur Detektion der Leistung von beim Laserschneiden von der Oberfläche des Werkstücks benachbart zum Schnittspalt zurück reflektierter Laserstrahlung, sowie eine Regeleinrichtung, die zur Regelung der detektierten Laserleistung auf einen Sollwert ausgebildet bzw. programmiert ist, wobei bei dem Sollwert die Laserleistung einen minimalen Wert annimmt oder eine vorgegebene Differenz zu dem minimalen Wert aufweist.
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Mit Hilfe der Regeleinrichtung kann die Schneidqualität des Laserschneidprozesses optimiert werden. So kann der Sollwert der detektierten Laserleistung (und damit die Fokuslage) so eingestellt bzw. geregelt werden, dass ein (im Wesentlichen) gratfreier Schnitt erfolgt.
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Bei einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, anhand einer vorgegebenen Beziehung zwischen der detektierten Laserleistung und dem Abstand der Fokuslage des Laserstrahls zur Oberseite des Werkstücks den Sollwert so festzulegen, dass die Fokuslage des Laserstrahls einen gewünschten, vorgegebenen Abstand zur Oberseite des Werkstücks aufweist. Je nach Anwendung kann die optimale Fokuslage, d. h. der optimale Abstand der Fokusposition von der Werkstückoberseite variieren. Anhand der vorgegebenen Beziehung (Kennlinie), die z. B. in vorausgehenden Test-Schneidprozessen ermittelt werden kann, kann die Regelung auf eine definierte, von der Oberseite des Werkstücks abweichende Fokuslage erfolgen. Die vorgegebene Beziehung (Kennlinie) ist hierbei typischer Weise in einer der Regeleinrichtung zugeordneten Speichereinrichtung (z. B. in Form einer Tabelle oder dergleichen) hinterlegt. Es versteht sich, dass ggf. mehrere Kennlinien in der Speichereinrichtung hinterlegt werden können, die bei jeweils unterschiedlichen Schneidparametern aufgenommen wurden. Die Regeleinrichtung kann in diesem Fall anhand der einem jeweiligen Laserschneidprozess zugeordneten Schneidparameter eine geeignete Kennlinie für die Beziehung zwischen detektierter Laserleistung und Fokuslage auswählen.
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Bei einer Weiterbildung ist die Regeleinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, den Sollwert in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit der mittels der Antriebseinrichtung erzeugten Relativbewegung zwischen dem Laserschneidkopf und dem Werkstück festzulegen. Der Anteil der zurück reflektierten Laserleistung hängt von der Vorschubgeschwindigkeit beim Laserschneiden ab, so dass es günstig ist, wenn für die Beziehung zwischen der detektierten Laserleistung und der Fokuslage mehrere Kennlinien bei jeweils unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten ermittelt und in der Regeleinrichtung oder an einer anderen Stelle hinterlegt werden, an der ein Zugriff durch die Regeleinrichtung erfolgen kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Regeleinrichtung ausgebildet bzw. programmiert, zur Regelung der detektierten Laserleistung auf den Sollwert mindestens einen Parameter des Laserschneidprozesses zu verändern, welcher die Fokuslage des Laserstrahls relativ zum Werkstück beeinflusst. Da der Laserstrahl aus dem Laserschneidkopf fokussiert austritt, kann die Fokuslage beispielsweise dadurch verändert werden, dass der Abstand zwischen dem Laserschneidkopf oder der Fokussieroptik im Schneidkopf und dem Werkstück verändert wird. Aber auch andere Parameter des Laserschneidprozesses können als Stellgrößen verwendet werden, beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit oder die Strahlquellen-Leistung.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserschneidmaschine zusätzlich eine Auskoppeleinrichtung zur Auskopplung der zurück reflektierten Laserstrahlung aus dem Strahlengang des Laserstrahls. Auf diese Weise kann eine so genannte koaxiale Detektion erfolgen, d. h. es kann die in den Strahlengang des Laserstrahls zurück reflektierte Laserstrahlung ausgekoppelt und detektiert werden. Es versteht sich aber, dass die zurück reflektierte Strahlungsleistung auch auf andere Weise detektiert werden kann, beispielsweise indem die momentane Bearbeitungsstelle, an welcher der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, mittels koaxial ringförmig um den Bearbeitungskopf angeordneten Detektors beobachtet wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auskoppeleinrichtung als ein unter einem Winkel zur Laserstrahlachse ausgerichteter Scraper-Spiegel ausgebildet. Der Scraper-Spiegel ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise eine Auskopplung der vom Werkstück benachbart zum Schnittspalt zurück reflektierten Laserstrahlung, da die zurück reflektierte Laserstrahlung von den Flanken bzw. vom Rand der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf dem Werkstück stammt, von der Strahlachse beabstandet ist und mittels eines geeignet positionierten Scraper-Spiegels auf einfache Weise aus dem Strahlengang ausgekoppelt werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der (Leistungs-)Detektor ein thermoelektrischer Detektor, d. h. ein Detektor, welcher zur Leistungsmessung den thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) nutzt. Schnelle Leistungsdetektoren können insbesondere durch die Verwendung dünner Schichten realisiert werden, z. B. in Form von Atomlagendetektoren. Derartige Detektoren ermöglichen eine Erfassung der detektierten Laserleistung mit einer hohen Zeitauflösung und somit eine besonders schnelle Regelung des Laserschneidprozesses.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine beim schneidenden Bearbeiten eines Werkstücks,
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2a, b schematische Darstellungen eines Strahlprofils sowie einer Intensitätsverteilung des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstücks bei zwei unterschiedlichen Fokuslagen,
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3 eine schematische Darstellung eines Laserschneidkopfs, der einen Detektor für von dem Werkstück zurück reflektierte Laserstrahlung aufweist,
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4 ein Schaubild der mittels des Detektors gemessenen Laserleistung in Abhängigkeit von der Fokusposition des Laserstrahls, sowie
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5 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zur Regelung der Fokuslage des Laserstrahls auf einen Sollwert.
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1 zeigt eine Werkzeugmaschine in Form einer Laserschneidmaschine 1 zum Laserschneiden mit einem CO2-Laser oder einem Festkörperlaser als Strahlerzeuger 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5. Ein Strahlengang 3 des Laserschneidstrahls 6 wird über eine Strahlführung mit Hilfe von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln von dem CO2-Laser oder mit Hilfe eines Lichtleitkabels von dem Festkörperlaser zu dem Laserbearbeitungskopf 4 geführt. Der Schneidstrahl 6 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 4 angeordneten Fokussieroptik fokussiert und im vorliegenden Beispiel senkrecht zur Oberfläche 8a eines Werkstücks 8 in Form eines Blechs ausgerichtet, d. h. die Strahlachse (optische Achse) des aus dem Laserbearbeitungskopf 4 austretenden Laserstrahls 6 verläuft in Z-Richtung senkrecht zum Werkstück 8, das für die schneidende Bearbeitung an der Werkstückauflage 5 gelagert ist, welche eine Bearbeitungsebene (XY-Ebene) bildet.
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Zum Laserschneiden des Werkstücks 8 wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst eingestochen, d. h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen oder oxidiert und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend werden der Laserstrahl 6 und das Werkstück 8 relativ zueinander bewegt, so dass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn in Form eines durchgängigen Schnittspalts 9 gebildet wird, entlang derer der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt.
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Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden können durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase 10 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück 8 gestellt werden. Entstehende Partikel und Gase können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 11 abgesaugt werden, welche mit einer Absaugkammer verbunden ist, die sich unter der Werkstückauflage 5 befindet.
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Um eine Bearbeitung des Werkstücks 8 entlang einer zweidimensionalen Bearbeitungsbahn (entsprechend einem Schnittspalt 9) in der XY-Ebene durchzuführen, ist der Bearbeitungskopf 4 an einem sich in Y-Richtung erstreckenden Portal 12 mittels einer herkömmlichen Antriebseinheit 7b linear verschiebbar geführt, wobei der Bearbeitungskopf 4 typischer Weise über die gesamte Breite der Werkstückauflage 5 bzw. des Werkstücks 8 bewegt werden kann. Das Portal 12 ist mittels einer herkömmlichen Antriebseinheit 7a (z. B. einem Linearantrieb) in X-Richtung verschiebbar, so dass der Laserbearbeitungskopf 4 auch über die gesamte Länge der Werkstückauflage 5 bewegbar ist. Der Bearbeitungskopf 4 ist im vorliegenden Beispiel zusätzlich mittels einer weiteren Antriebseinheit 7c in Z-Richtung, d. h. senkrecht zum Werkstück 8 beweglich, um die Fokuslage des fokussierten Laserstrahls 6 beim Laserschneiden verändern zu können.
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2a, b zeigen ein Detail des Laserbearbeitungskopfs 4 und des Werkstücks 8 bei zwei unterschiedlichen Fokuslagen des Laserstrahls 6. Die Fokuslage ist hierbei durch die minimale Ausdehnung (Strahltaille) des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung definiert. In 2a befindet sich der Fokus des Laserstrahls 6 in Laserstrahlrichtung genau an der Oberseite 8a des Werkstücks 8, was nachfolgend (willkürlich) als Null-Lage definiert wird, d. h. bei der in 2a gezeigten Fokuslage gilt ZF = 0.
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In 2b befindet sich die Strahltaille und damit die Fokuslage in einem Abstand d vom Werkstück 8, d. h. es gilt ZF = d. Stimmt die Fokuslage nicht mit der in 2a gezeigten Null-Lage überein, trifft der Laserstrahl 6 nicht im Bereich seiner geringsten Ausdehnung auf das Werkstück 8, sondern mit einem entsprechend vergrößerten Durchmesser (vgl. 2b). Entsprechend ist die Breite des Schnittspalts a1 in 2a minimal und somit geringer als die Schnittspaltbreite a2 bei dem in 2b gezeigten Fall (a1 < 32).
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Wie in 2a, b ebenfalls zu erkennen ist, weist der Laserstrahl 6 eine (zum Beispiel Gauss-förmige) Intensitätsverteilung I1, I2 an der Oberseite 8a des Werkstücks 8 auf, deren geometrische Ausdehnung größer ist als die jeweilige Schnittspaltbreite a1, a2. Die Laserstrahlung bzw. Laserleistung am Rand der Intensitätsverteilung I1, I2 (aus den schraffiert dargestellten Bereichen) trägt somit nicht zur Ausbildung des Schnittspalts 9 bei wird zumindest teilweise in den Strahlengang des Laserstrahls 6 zurück reflektiert und kann zur Bestimmung der Fokuslage des Laserstrahls 6 dienen.
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Nachfolgend wird anhand von 3 eine Möglichkeit zur Detektion der von der Oberseite 8a des Werkstücks 8 (aus den in 2a, b schraffierten Bereichen) zurück reflektierten Laserstrahlung 13a, 13b beschrieben, die innerhalb des Laserschneidkopfs 4 erfolgt. Der Laserschneidkopf 4 weist einen Umlenkspiegel 15 zur Umlenkung des von der Strahlquelle 2 entlang einer Strahlachse 20 zugeführten Laserstrahls 6 in Richtung auf das Werkstück 8 auf. Eine dem Umlenkspiegel 15 nachgeordnete Fokussierlinse 16 dient der Fokussierung des Laserstrahls 6 auf das Werkstück 8. Die Fokussierung ist in 3 nicht zu erkennen, da nur die Strahlachse 20 gezeigt ist. Eine herkömmliche Antriebseinrichtung 17 (z. B. ein Linearmotor oder dergleichen) ermöglicht eine Verschiebung der Fokussierlinse 16 und somit eine Veränderung der Fokuslage ZF des Laserstrahls 6 in Z-Richtung.
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Die von den beiden Rändern des Schnittspalts 9 zurück reflektierte Laserstrahlung 13a, 13b durchläuft die Fokussierlinse 16 sowie den Umlenkspiegel 15 und trifft auf einen im Strahlengang 3 angeordneten planen Scraper-Spiegel 19, der unter einem Winkel α von 45° zur Laserstrahlachse 20 ausgerichtet (verkippt) ist. Der Scraper-Spiegel 19 weist eine zentrische Durchtritts-Öffnung auf, deren Durchmesser im vorliegenden Beispiel so bemessen ist, dass dieser mindestens das ca. 1,5-fache des maximalen Durchmessers des Laserstrahls 6 beträgt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Laserstrahl 6 ungehindert durch die Durchtritts-Öffnung des Scraper-Spiegels 19 hindurch propagieren kann. Die vom Werkstück 8 zurück reflektierte Laserstrahlung 13a, 13b wird hingegen aus dem Strahlengang des Laserstrahls 6 unter einem Winkel von 90° ausgekoppelt und trifft auf einen Detektor 18. Bei dem Detektor 18 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um einen schnellen Leistungs-Detektor (Leistungs-Messkopf, z. B. in Form eines Atomlagen-Detektors), welcher die Laserleistung PL,R mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. Das Messprinzip des Leistungs-Detektors 18 beruht in diesem Beispiel auf dem thermoelektrischen Effekt.
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4 zeigt die Abhängigkeit der (integral) mittels des Detektors 18 gemessenen Laserleistung PL,R in Abhängigkeit von der Fokuslage ZF. Wie in 4 deutlich zu erkennen ist, weist die detektierte Laserleistung PL,R ein Minimum PL,R,MIN bei einer Fokuslage ZF = 0 auf, bei welcher sich der Laserstrahlfokus an der Oberseite 8a des Werkstücks 8 befindet (vgl. 2a). In diesem Fall ist sowohl die Schnittspaltbreite a1 als auch die von der Oberseite 8a des Werkstücks 8 zurück reflektierte Laserstrahlung 13a, 13b minimal. Bei dem in 2b dargestellten Fall, bei dem die Fokuslage ZF sich in einem von Null verschiedenen Abstand d von der Oberseite 8a des Werkstücks 8 befindet, ist die zurück reflektierte Laserleistung PL,R hingegen größer, und zwar um einen Betrag ΔPL,R. Ebenso ist die zurück reflektierte Laserleistung PL,R größer, wenn sich die Fokuslage ZF unterhalb der Oberseite 8a des Werkstücks 8 befindet.
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Die in 4 gezeigte Beziehung zwischen der zurück reflektierten Laserleistung PL,R und der Fokuslage ZF kann vor der Durchführung des Laserschneidprozesses anhand von Testmessungen ermittelt werden, bei denen die Fokuslage ZF durch Verschiebung der Fokussierlinse 16 in Z-Richtung mittels der dieser zugeordneten Antriebseinrichtung 17 und/oder durch Verschiebung des Laserschneidkopfs 4 in Z-Richtung mittels des diesem zugeordneten Antriebs 7e variiert wird. Das Minimum der delektierten Laserleistung wird hierbei derjenigen Fokuslage ZF = 0 zugeordnet, bei welcher der Laserstrahl 6 auf die Oberseite 8a des Werkstücks 8 fokussiert ist.
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Da die in 4 gezeigte Beziehung von der (instantanen) Vorschubgeschwindigkeit v (vgl. 1) abhängt, mit welcher der Laserstrahl 6 über das Werkstück 8 bewegt wird, können an einem Testwerkstück mehrere Kennlinien bei jeweils unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten v gemessen werden, um den jeweiligen Zusammenhang zwischen der zurück reflektierten Laserleistung PL,R und der Fokuslage ZF abzubilden. Es versteht sich, dass eine entsprechende Aufnahme von mehreren Kennlinien auch für weitere Schneidparameter erfolgen kann, welche einen (signifikanten) Einfluss auf die Beziehung zwischen reflektierter Laserleistung PL,R und Fokuslage ZF haben.
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Die jeweiligen Kennlinien können in einer Speichereinrichtung hinterlegt werden, die Teil einer in 1 dargestellten Regeleinrichtung 14 ist, welche Regelungs- sowie Steuerungsaufgaben für die Laserschneidmaschine 1 übernimmt. Die Regeleinrichtung 14 kann als Hardware-Komponente (Computer) mit geeignet angepasster Software oder auf andere Weise (z. B. als programmierbare Hardware-Komponente in Form eines „Field Programmable Gate Arrays”, FPGA, etc.) ausgebildet sein. Die Regeleinrichtung 14 ist typischer Weise zur Ausführung eines Bearbeitungsprogramms ausgelegt, welches die Bewegung des Laserbearbeitungskopfes 4 zur Ausbildung einer gewünschten Schnittkontur (eines Schnittspalts 9 mit gewünschter Geometrie) an dem Werkstück 8 steuert bzw. regelt.
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Die Regeleinrichtung 14 kann auch für eine Regelung des Laserschneidprozesses zur Erzielung eines verbesserten Schneidergebnisses (z. B. zum Erhalt von möglichst gratfreien Schnittkanten an dem Schnittspalt 9) dienen, wie nachfolgend anhand eines in 5 gezeigten Regelkreises beschrieben wird, dessen Komponenten Teile der Laserschneidmaschine 1 bilden. Als Regelgröße dient die zurück reflektierte Laserleistung PL,R (vgl. 4). Für diese Regelgröße wird zunächst ein Sollwert PL,R,SOLL festgelegt, welcher im vorliegenden Beispiel mit dem Minimum PL,R,MIN der zurück reflektierten Laserleistung PL,R übereinstimmt, d. h. es soll eine Regelung auf eine minimale Schnittspaltbreite bzw. auf eine Fokuslage an der Oberseite (ZF = 0) des Werkstücks 8 erfolgen. Mit Hilfe des Detektors 18 als Messglied wird die instantan zurück reflektierte Laserleistung PL,R,IST erfasst und einem Regler 21 zugeführt, welcher z. B. in der Regeleinrichtung 14 implementiert sein kann. Der Regler 21 ist ausgelegt, die Regeldifferenz, d. h. die Abweichung PL,R,IST – PL,R,SOLL zu minimieren.
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Zu diesem Zweck können unterschiedliche Stellgrößen des Laserschneidprozesses verändert werden, insbesondere solche Stellgrößen, welche einen (direkten oder indirekten) Einfluss auf die Fokuslage ZF des Laserstrahls 6 haben. Beispielsweise kann der Regler 21 die Antriebseinrichtung 17 der Fokussierlinse 16 oder die Antriebseinrichtung 7c zur Bewegung des Laserschneidkopfs 4 in Z-Richtung ansteuern, um den Laserschneidprozess P (als Regelstrecke) so zu beeinflussen, dass die Regelabweichung, d. h. die Differenz zwischen gemessener zurück reflektierter Laserleistung PL,R,IST und dem Sollwert PL,R,SOLL in Richtung auf eine Minimum geändert wird. Es versteht sich, dass auch Parameter des Laserschneidprozesses, welche die Fokuslage ZF nur indirekt beeinflussen, z. B. die Vorschubgeschwindigkeit v sowie die Leistung PL,Q der Strahlungsquelle (vgl. 1) in die Regelung einbezogen werden können.
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Der Sollwert PL,R,SOLL kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung (Blechdicke, Geometrie der zu schneidenden Konturen, Art des zu schneidenden Materials, etc.) so festgelegt werden, dass ein gratfreier Schnitt erfolgt. Es versteht sich, dass die Regelung nicht zwingend auf das Minimum an reflektierter Laserleistung PL,R,MIN erfolgen muss: Wenn definiert defokussiert geschnitten werden soll, kann eine Regelung auf einen definierten Sollwert der rückreflektierten Laserleistung PL,R,SOLL erfolgen, der um einen vorgegebenen Betrag ΔPL,R größer als der minimale Wert PL,R,MIN ist. Ist die bei einer jeweiligen Anwendung für einen gratfreien Schnitt bzw. eine hohe Schnittqualität erforderliche Fokuslage ZF bekannt, so kann die Festlegung des Sollwertes PL,R,SOLL hierbei anhand der in 4 gezeigten Beziehung erfolgen.
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Es versteht sich, dass auf die in 4 gezeigte Beziehung nicht zwingend zurück gegriffen werden muss, wenn eine direkte Beziehung zwischen optimalem (gratfreiem) Schneidergebnis und Sollwert PL,R,SOLL der zurück reflektierten Laserleistung PL,R bekannt ist. Beispielsweise kann für den Fall, dass eine minimale Schnittspaltbreite bzw. eine Fokuslage an der Oberseite 8a des Werkstücks 8 (ZF = 0) gewünscht ist, dem Regler 21 der Sollwert PL,R,SOLL nicht von außen vorgegeben werden, sondern dem Regler 21 kann die Sollwert-Vorgabe gemacht werden, dass der Istwert der reflektierten Laserleistung PL,R,IST minimiert werden soll.
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Auf die in 4 gezeigte Beziehung muss auch nicht zurück gegriffen werden, wenn zunächst in einem Testschnitt der Wertebereich der zurück reflektierten Laserleistung PL,R ermittelt wird, in dem der Schneidprozess zu einer gratfreien Schnittkante führt. Zu diesem Zweck kann bei dem Testschnitt der Abstand zwischen der Fokuslage ZL zur Oberseite 8a des (Test-)werkstücks 8 variiert sowie die Gratbildung am Schnittspalt beispielsweise durch einen Bediener oder einen (optischen) Sensor ermittelt werden. Als Sollwert PL,R,SOLL für die reflektierte Laserleistung PL,R kann in diesem Fall beispielsweise der Mittelwert des bei dem Testschnitt ermittelten Wertebereichs festgelegt werden, bei dem keine Gratbildung auftritt.
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Es versteht sich, dass eine Regelung des Laserschneidprozesses auf die oben beschriebene Weise nicht nur bei einer Laserschneidmaschine durchgeführt werden kann, wie sie in 1 gezeigt ist. Vielmehr kann die oben beschriebene Regelung auch an einer Laserschneidmaschine durchgeführt werden, bei welcher das Werkstück nicht ruht, sondern in mindestens einer Raumrichtung bewegt wird. Auch ist der oben beschriebene Regelungsprozess nicht auf Laserschneidmaschinen zur Bearbeitung von im Wesentlichen plattenförmigen Werkstücken beschränkt. Vielmehr kann auch eine Detektion der an der Oberseite eines im Wesentlichen rohrförmigen oder eines dreidimensional variabel geformten Werkstücks reflektierten Laserstrahlung durchgeführt werden.
