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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden einer in sich geschlossenen Schnittkontur in ein metallisches Werkstück mittels eines aus einem Laserschneidkopf austretenden Laserstrahls, wobei der Abstand des Laserschneidkopfes (insbesondere einer Schneiddüse des Laserschneidkopfes) zum Werkstück gemessen wird, sowie auch eine zugehörige Laserschneidmaschine und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.
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Ein derartiges Laserschneidverfahren und eine derartige Laserschneidmaschine sind beispielsweise durch die
JP 2011 034 501 A bekannt geworden.
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Es ist bekannt, beim Laserschneiden zur Innenlochbearbeitung geschlossene Schnittkonturen mit einem Laserstrahl abzufahren, um einen Schneidbutzen, z. B. Abfallstück, Gutteil, aus einem Werkstück (Blech) auszutrennen. Der Laser kann gestoppt werden, z. B. wenn der Laserstrahl die komplette Schnittkontur abgefahren ist und wieder den Punkt erreicht, an dem der Schnitt auf der Schnittkontur begonnen wurde. Die NC-Bahn einer Laserschneidmaschine wird also so programmiert, dass Start- und Endpunkt der NC-Bahn identisch sind. Dadurch wird die Schnittkontur zwar sicher zu Ende geschnitten, aber das Werkstückteil wird abhängig von Konturgeometrie, Schnittspaltbreite und Schneidparameter bereits kurz vor Erreichen vom Endpunkt der NC-Bahn freigeschnitten. Da der Laserstrahl erst nach dem Erreichen vom Endpunkt der NC-Bahn abgeschaltet wird, kann es zu Strahlreflektionen am nach unten kippenden Teil bzw. Ausschnittbutzen kommen, die dann Unregelmäßigkeiten auf der Schnittkante in Form von Schlackespritzern oder Konturverletzungen verursachen können. Außerdem kann dadurch zu viel Wärme an diesem Start- bzw. Endpunkt der Bearbeitung eingebracht werden, so dass es zu einer Verletzung und Verfärbung der Schnittkante kommt. So können beim Schmelzschnitt in Edelstahl Oxidationen am Konturende auftreten, die entstehen, nachdem das Teil bzw. der Ausschnittbutzen weggekippt ist und dann Luftsauerstoff an die Schnittkante gewirbelt wird und mit dieser reagiert. Daher ist es vorteilhaft, den Laserstrahl abzuschalten, sobald erkannt wird, dass der Schneidbutzen (Innenloch) freigeschnitten wurde, also nicht mehr mit dem Blech verbunden ist, auch wenn der Laserstrahl noch nicht wieder an dem Punkt angekommen ist, an dem der Schnitt auf der Schnittkontur begonnen wurde.
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Die eingangs genannte
JP 2011 034 501 A offenbart das Laserschneiden einer in sich geschlossenen, kreisförmigen Schnittkontur, bis der innere Schneidbutzen nach unten fällt. Wenn der Schneidbutzen nach unten fällt, vergrößert sich der von einem Distanzsensor gemessene Werkstückabstand, und ein Laserbearbeitungskopf verfährt ebenfalls nach unten und wird dadurch in einen Absenkblockierungszustand überführt. Wenn der Schneidbutzen nicht nach unten fällt, sondern im Werkstück nach oben verkippt hängen bleibt, verkleinert sich der vom Distanzsensor gemessene Werkstückabstand, und der Laserbearbeitungskopf verfährt ebenfalls nach oben.
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Aus der
DE 11 2012 004 174 T5 ist weiterhin eine Abschaltung des Laserstrahls beim Ausführen einer Durchgangsbohrung in einem Werkstück bekannt. Dabei wird der Abstand zwischen einer Schneiddüse und dem Werkstück mit einem Abstandssensor gemessen und der Abstand zum Werkstück über diesen Messwert mittels einer Abstandsregelung konstant gehalten. Wenn der gemessene Abstand zwischen Schneiddüse und Werkstück zunimmt und einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird der Laser gestoppt, mutmaßlich da davon ausgegangen wird, dass der Schneidbutzen aus der Kontur herausfällt, sobald er frei geschnitten wird.
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Wenn der Schneidbutzen allerdings nicht herausfällt, z. B. wenn der Konturschnitt über einem Auflagesteg ausgeführt wurde, und daher der vorgegebene Wert nicht überschritten wird, wird der Laser nicht frühzeitig gestoppt, was zu einem Verschweißen von Schneidbutzen und Auflagesteg führen kann. Der Schneidbutzen bleibt dann an einem Punkt mit der Auflage verbunden und kann nicht fallen, sondern verkippt am Ende des Konturschnittes lediglich. Ein Verhaken/Verkippen kommt besonders bei dickerem Blech oft vor, auch wenn keine Verschweißung mit der Werkstückauflage vorliegt. Dadurch ist nicht sichergestellt, dass der vorgegebene Wert für den Abstand von Schneiddüse und Werkstück überschritten wird und somit das Freischneiden des Schneidbutzens detektiert wird, um den Laserstrahl frühzeitig abzuschalten.
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Des Weiteren kann das Durchhängen eines teilweise geschnittenen Schneidbutzens (z. B. bei einem Innenloch mit filigraner/komplexer Struktur) zu Fehlinformationen des Abstandssensors (insbesondere bei kapazitiven Sensoren, die flächig messen) und somit des Abstands der Schneiddüse zum Werkstück führen, so dass der ideale Schneidabstand nicht eingehalten wird, sondern der Abstand mit einem Offset beaufschlagt wird, was eine zusätzliche Ungenauigkeit bzgl. des „vorgegebenen Werts” für den Abstand der Schneiddüse zum Werkstück zur Laserstrahlabschaltung darstellt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Laserschneidverfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass es auch im Falle eines ausgeschnittenen, aber nicht herausgefallenen Werkstückteils nicht zu einer Verletzung oder Verfärbung der Schnittkante des Werkstücks bzw. Werkstückteils kommt. Insbesondere soll das Ende der Schnittkontur zuverlässig detektiert und somit der Laserstrahl frühzeitig abgeschaltet werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Verbesserung der Prozesssicherheit auf einem Endabschnitt der Schnittkontur der Abstand des Laserschneidkopfs zum Werkstück nicht mehr geregelt, sondern gesteuert auf einen vorbestimmten Soll-Abstand eingestellt wird. Somit kann es nicht passieren, dass Fehlinformationen durch den Abstandsmesswert (wenn sich beispielsweise längliche, filigrane Abschnitte des Schneidbutzens in der Nähe des Freischnittpunkts nach teilweisem Freischneiden schon abgesenkt haben) zu einem Offset des Soll-Abstands zum Ist-Abstand der Schneiddüse führen. Insbesondere kann der Abstand des Laserschneidkopfes zum Werkstück wieder auf den zu Beginn der Schnittkontur gemessenen ursprünglichen Abstand gesteuert werden, als noch kein Offset durch teilweise abgesenkte Schneidbutzenteile vorlag, wodurch der Soll-Abstand ungefähr dem Ist-Abstand entspricht. Alternativ kann der Abstand des Laserschneidkopfes zum Werkstück auf einen konstanten Soll-Abstand gesteuert eingestellt werden, der auf einem kurz vor dem Endabschnitt gemessenen Abstand basiert; insbesondere wird die Z-Achse auf den letzten geregelten Wert des Abstands eingestellt. Dies ist vorteilhaft im Vergleich zum Steuern auf den Abstand des Laserschneidkopfes zum Werkstück zu Beginn der Schnittkontur, falls es durch die Bearbeitung zu einem größeren Wärmeverzug gekommen ist und z. B. auf Grund der zu schneidenden Geometrie noch keine teilweise abgesenkten Schneidbutzenteile erwartet werden, da dann der gemessene Abstand vor dem Endabschnitt genauer dem Ist-Abstand entspricht als der gemessene Abstand des Laserschneidkopfes zum Werkstück am Anfangspunkt der Schnittkontur.
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Vorzugsweise wird der Abstand des Laserschneidkopfes zum Werkstück berührungslos, insbesondere kapazitiv oder optisch, gemessen.
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Bei kapazitiven Abstandssensoren hängt die gemessene Kapazität zwischen Sensorelektrode (beim Laserschneiden üblicherweise der Schneiddüse) und dem Werkstück als Gegenelektrode, zumindest im Näherungsfall eines Plattenkondensators, lediglich vom Abstand der Elektroden, dem Dielektrikum zwischen den Elektroden (Luft/Schneidgas) und der Fläche der Platten ab. Die beiden alternativen Lösungen zum Steuern des Abstands des Laserschneidkopfes zum Werkstück haben den Vorteil, dass der Ist-Abstand zum Werkstück auch ohne Abstandsregelung recht genau bekannt ist, ebenso wie das Dielektrikum zwischen Sensor und Werkstück, so dass die Abstandsmessung durch den kapazitiven Abstandssensor bei Abweichungen zum bekannten Ist-Abstand Aufschluss über die Fläche des Werkstücks unterhalb der Sensorelektrode gibt. Dies erlaubt, insbesondere nach Erkennen des Freischnitts mittels Überschreiten eines Gradienten-Schwellwertes, einen Vergleich des mit dem kapazitiven Abstandssensor gemessenen Messwerts und der auf Grund des Herausfallens des freigeschnittenen Werkstückteils verkleinerten Werkstückfläche unterhalb der Sensorelektrode. Somit ist es möglich zu ermitteln, ob das freigeschnittene Werkstückteil gefallen ist, oder sich bspw. im Restblech verkippt hat, zumindest wenn es um kleine freigeschnittene Werkstückteile geht.
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Vorzugsweise wird zur Detektion des Endes der Schnittkontur zumindest auf einem Endabschnitt der Schnittkontur der zeitliche Gradient der Abstandsmesswerte bestimmt und mit einem Gradienten-Schwellwert verglichen und bei Überschreiten des Gradienten-Schwellwertes das Ende der Schnittkontur detektiert und der Laserstrahl in seiner Leistung abgesenkt. Ein Fallen und in den meisten Fällen auch ein Verkippen des ausgeschnittenen Werkstückteils, z. B. eines Schneidbutzens, führen zu einem Sprung in der gemessenen Abstandskurve, wodurch das Ende des Freischnitts erkannt wird, auch wenn der Abstandsmesswert selbst einen vorgegebenen Abstandswert nicht überschreitet, z. B. wegen eines Offsets. Bei Überschreiten des Gradienten-Schwellwertes kann der Laser nicht nur ausgeschaltet, sondern auch lediglich in seiner Leistung abgesenkt werden (z. B. Simmerbetrieb), so dass der Laserstrahl das Blech nicht weiter aufschmilzt, sich seine Leistung jedoch schneller wieder hochrampen lässt. Die automatische geregelte Strahlabschaltung am Konturende ermöglicht eine Verbesserung der Schnittkantenqualität am Konturende, unabhängig von Konturgeometrie und Schneidparameter. Statt nur auf einem Endabschnitt kann der zeitliche Gradient der Abstandsmesswerte auch auf der gesamten Schnittkontur überwacht werden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Laserschneidmaschine zum Laserschneiden von metallischen Werkstücken mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, mit einem Laserschneidkopf, der den Laserstrahl auf ein Werkstück richtet, mit einem Abstandssensor, der den Abstand des Laserschneidkopfes zum Werkstück misst, und mit einer Maschinensteuerung, die programmiert ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Laserschneidmaschine abläuft.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung Es zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Laserschneidmaschine; und
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2 das erfindungsgemäße Laserschneidverfahren mit Detektion des Schnittendes einer Schnittkontur und mit Abschaltung oder Leistungsreduktion des Laserstrahls am Schnittende.
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Die in 1 gezeigte Laserschneidmaschine 1 dient zum Laserschneiden von metallischen Werkstücken 2 mittels eines Laserstrahls 3.
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Die Laserschneidmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, einen relativ zum Werkstück 2 in der X-Y-Ebene bewegbaren Laserschneidkopf 5, der den Laserstrahl 3 auf ein Werkstück 2 richtet, einen Abstandssensor 6, der den Abstand A des Laserschneidkopfes 5 zum Werkstück 2 misst, und eine Maschinensteuerung 7, die den Laserstrahlerzeuger 4 und die x-y-Relativbewegung des Laserschneidkopfes 5 beim Laserschneiden einer in sich geschlossenen Schnittkontur 8 in das Werkstück 2 steuert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel misst der Abstandssensor 6 den Abstand A einer Schneiddüse 9 des Laserschneidkopfes 5, aus der der Laserstrahl 3 zusammen mit einem Schneidgas (nicht gezeigt) austritt, zum Werkstück 2. Das mittels der Schnittkontur 8 ausgeschnittene Werkstückteil, z. B. ein Schneidbutzen, ist mit 10 bezeichnet. Statt einer Relativbewegung zwischen Laserschneidkopf 5 und Werkstück 2 kann der Laserstrahl 3 auch vom Laserschneidkopf 5 in der x- und/oder y-Richtung abgelenkt werden.
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Beim Schneiden der Schnittkontur 8 wird der Abstand A der Schneiddüse 9 zum Werkstück 2 mit dem Abstandssensor 6 gemessen und über diesen Abstandsmesswert mittels einer Abstandsregelung 11, die Teil der Maschinensteuerung 7 sein kann, konstant gehalten.
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2a zeigt die Bewegung des Laserstrahls 3 auf dem Werkstück 2 in X- und Y-Richtung, um das Werkstückteil 10 auszuschneiden. Der Laserstrahl 3 beginnt im Anfangspunkt 1 und fährt die in sich geschlossene Schnittkontur 8, wie durch Pfeile angedeutet, entgegen dem Uhrzeigersinn ab. Abhängig von Konturgeometrie, Schnittspaltbreite und anderen Schneidparameter ist das Werkstückteil 10 bereits kurz vor Erreichen des Anfangspunkts I der Schnittkontur 8, nämlich im Endpunkt E, freigeschnitten.
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2b zeigt den zeitlichen Verlauf des gemessenen Abstands A für den Fall, dass das freigeschnittene Werkstückteil 10 im Endpunkt E aus dem Werkstück 2 herausfällt und daher der gemessene Abstand A einen vorgegebenen Abstands-Schwellwert AS überschreitet. Am überschrittenen Schwellwert detektiert die Maschinensteuerung 7 den Freischnitt des Werkstückteils 10 und schaltet den Laserstrahl 3 noch vor Erreichen des Anfangspunkts I aus.
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2c zeigt den zeitlichen Verlauf des gemessenen Abstands A für den Fall, dass das freigeschnittene Werkstückteil 10 im Endpunkt E, weil z. B. verkippt, nicht aus dem Werkstück 2 herausfällt und der gemessene Abstand A den vorgegebenen Abstands-Schwellwert AS nicht überschreitet. In diesem Fall detektiert die Maschinensteuerung 7 den Freischnitt des Werkstückteils 10 nicht und schaltet den Laserstrahl 3 erst bei Erreichen des Anfangspunkts I aus, wodurch es zu einer Verletzung oder Verfärbung der Schnittkante des Werkstücks 2 oder Werkstückteils 10 kommen kann.
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Um auch bei einem freigeschnittenen, aber, weil z. B. verkippt, nicht herausgefallenen Werkstückteil 10 das Ende der Schnittkontur 8 zuverlässig schon im Endpunkt E zu detektieren, wird, wie in 2d gezeigt, erfindungsgemäß zumindest auf einem Endabschnitt 12 der Schnittkontur der zeitliche Gradient dA/dt der Abstandsmesswerte A bestimmt und mit einem Gradienten-Schwellwert (dA/dt)S verglichen. Bei Überschreiten dieses Gradienten-Schwellwertes detektiert die Maschinensteuerung 7 das Ende der Schnittkontur 8 und senkt den Laserstrahl 3 in seiner Leistung ab oder schaltet den Laserstrahl 3 aus.
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Alternativ zu 2d kann, wie in 2e gezeigt, erfindungsgemäß zur Verbesserung der Prozesssicherheit auf dem Endabschnitt 12 der Schnittkontur 8 der Abstand A des Laserschneidkopfes 5 zum Werkstück 2 auf einen vorbestimmten Soll-Abstand ASE gesteuert eingestellt werden. Vorzugsweise entspricht dieser Soll-Abstand ASE dem zu Beginn der Schnittkontur 8 im Punkt I vorgegebenen, anfänglichen Soll-Abstand AS0. Somit kann es nicht passieren, dass Fehlinformationen durch den Abstandsmesswert zu einem Offset des Abstands der Schneiddüse 9 zum Werkstück 2 führen. Der Soll-Abstand ASE kann, wie in der 2e dargestellt, abrupt gesteuert eingestellt werden oder in einer langsameren, kontinuierlichen Bewegung, so dass der anfängliche Soll-Abstand AS0 spätestens bei Erreichen des Anfangspunkts I erreicht wird.
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Statt wie in 2e auf den anfänglichen Soll-Abstand AS0 kann insbesondere bei 2D-Laserbearbeitungsmaschinen, wie in 2f gezeigt, auf dem Endabschnitt 12 der Schnittkontur 8 der Abstand A des Laserschneidkopfes 5 zum Werkstück 2 auf den letzten geregelten Wert des Abstands eingestellt bleiben, also auf den Abstandswert A1 bei Erreichen des Endabschnitts 12 zum Zeitpunkt t1.
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Alternativ zu den 2e und 2f kann, wie in 2g gezeigt, erfindungsgemäß zur Verbesserung der Prozesssicherheit auf dem Endabschnitt 12 der Schnittkontur 8 der Abstand A des Laserschneidkopfes 5 zum Werkstück 2 auf einen vorbestimmten Soll-Abstand ASE gesteuert eingestellt werden, der auf mindestens einem Messwert des Abstands A kurz vor Erreichen des Endabschnitts 12 basiert, nämlich hier auf dem gemessenen Abstand AΔt zum Zeitpunkt t1–Δt. Bei 2D- und 3D-Laserbearbeitungsmaschinen kann der Laserbearbeitungskopf 5 auch so gesteuert bewegt werden, dass auf dem Endabschnitt 12 der Schnittkontur 8 der Abstand A vom Werkstück 2 auf eine Bahn eingestellt wird, die einer Extrapolation mehrerer Messwerte des Abstands A kurz vor Erreichen des Endabschnitts 12 entspricht, z. B. einer linearen oder quadratischen Extrapolation.
