-
Laserschneidverfahren unterliegen einer Vielzahl von Einflussfaktoren, die die Durchdringung eines Laserstrahls durch ein Werkstück und die Qualität des damit entstehenden Trennschnittes beeinflussen können. Diese Einflussfaktoren sind z.B. Schwankungen der abgegebenen Laserleistung des Strahlungsgenerators, Fokuslagenschwankungen des Laserstrahls und Verschmutzungen von Optikbauteilen, die den Energieeintrag in das Werkstück beeinflussen oder Ungenauigkeiten in der Strahlführung, die zu Abweichungen der Ist - Schnittkontur des Trennschnittes von einer Soll - Schnittkontur führen.
-
Dient der Trennschnitt dem Herausschneiden eines Werkstückteiles, nachfolgend Schneidbutzen genannt, kann es aufgrund der vorgenannten Einflussfaktoren dazu kommen, dass der Schneidbutzen nicht vollständig herausgelöst wird, weil der Trennschnitt entweder das Werkstück nicht durchgängig vollständig durchtrennt oder bei einer geschlossenen Soll - Schnittkontur die Ist - Schnittkontur keine geschlossene Kontur bildet.
-
Wird erst in nachfolgenden Bearbeitungsverfahren festgestellt, dass der Schneidbutzen nicht herausgelöst wurde, kann das zu erheblichen Störungen des nachfolgenden Verfahrensablaufes führen, weshalb es im Stand der Technik eine Vielzahl von Bemühungen gibt das Laserschneidverfahren zu überwachen oder das Schnittergebnis zu kontrollieren, bevor das Werkstück einem nachfolgenden Bearbeitungsverfahren zugeführt wird.
-
Bei der
DE 10 2004 030 716 A1 wird nach dem Schneidverfahren über einen Sensor, der bevorzugt ein Reflexionssensor sein soll, kontrolliert, ob der Schneidbutzen aus dem Werkstück herausgefallen ist.
-
Die
DE 20 2010 017 944 U1 offenbart eine Werkzeugmaschine mit einem Sensor, der den Bereich oberhalb des zu bildenden Loches entweder während des Schneidens des Loches oder danach überfährt. Beim Überfahren des Werkstückes während des Schneidens kann z.B. ein Tastsensor entlang der Schnittkante geführt werden. Das Ausbilden des Durchbruches wird kurz vor dem Ende des Schneidens detektiert, wenn die verbleibende Verbindung zwischen dem verbleibenden Werkstück und dem Schneidbutzen so stark reduziert wurde, dass der Schneidbutzen gegenüber der Werkstückoberfläche des verbleibenden Werkstückes eine Kippbewegung durchführt. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Abstand zwischen dem Sensor und dem Schneidbutzen kapazitiv oder durch das Aufbringen von Schneidgas erfasst und so geprüft, ob sich der Schneidbutzen noch innerhalb des Werkstückes befindet.
-
Die
DE 101 20 251 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsprozesses bei dem Prozessstrahlung aus einem Wechselwirkungsbereich aus einem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelt wird und auf eine ortsauflösende Empfängeranordnung geführt wird. Aus der
EP 1 886 757 A1 ist ein Laserschneidverfahren bekannt, bei dem mittels einer Wärmebildkamera das Schneidverfahren überwacht wird. Die Wärmebildkamera detektiert Strahlung aus einer Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem Werkstück. Anhand des Wärmebildes kann unter anderem auf ein nicht vollständiges Durchtrennen des Werkstückes während des Schneidverfahrens geschlossen werden.
-
Aus der
DE 10 2004 041 935 B4 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der aus einer Wechselwirkungszone zwischen Laserbearbeitungsstrahl und Werkstück kommende Strahlung auf einer bildgebenden Empfängeranordnung scharf abgebildet wird. Damit kann der Bearbeitungsprozess an einem Monitor beobachtet oder aber für eine spätere Auswertung aufgezeichnet werden.
-
Aus der
DE 10 2011 004 117 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem nach dem Schneidverfahren der vollständige Freischnitt eines Schneidbutzens kontrolliert wird. Dazu wird ein Laserstrahl auf das durch den Freischnitt gebildete Loch gerichtet und geprüft, ob eine Strahlung detektiert werden kann, was gegebenenfalls dafür spricht, dass der Schneidbutzen noch im Loch gehalten wird. Diese Prüfung kann zu jeder Zeit nach dem Schneidverfahren durchgeführt werden, das heißt es können erst alle Freischnitte an einem Werkstück hergestellt und dann alle überprüft werden.
-
Die bei der Überprüfung detektierte Strahlung kann gegebenenfalls in der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Schneidbutzen erzeugtes Prozesslicht, generierte Wärmestrahlung, aber auch vom Schneidbutzen zurückreflektierte Laserstrahlung sein. Als Laserstrahlung kann sowohl die Bearbeitungslaserstrahlung oder aber auch eine andere Laserstrahlung verwendet werden.
-
In der vorbenannten
DE 10 2011 004 117 A1 ist darüber hinaus eine Vorrichtung offenbart, mit der auch der Laserschneidprozess selbst, bei dem ein Schnittspalt im Werkstück gebildet wird, überwacht werden kann. Zur Überwachung während des Schneidprozesses ist nur ausgeführt, dass die von einem Detektor gemessene Intensität mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet wird, mit der auch nach Abschluss des Laserschneidens kontrolliert werden kann, ob der Schneidbutzen vollständig freigeschnitten wurde und sich aus dem Werkstück gelöst hat.
-
Die Verfahren des Standes der Technik unterscheiden sich zum einen darin, ob die Ausführung eines vollständigen Trennschnittes und des Herauslösen eines Schneidbutzens während des Schneidverfahrens überwacht oder nach dem Schneidverfahren kontrolliert wird.
-
Alle Verfahren, mit denen eine nachträgliche Kontrolle erfolgt, haben den Nachteil, dass die Kontrolle einen zusätzliche Zeit in Anspruch nehmenden technologischen Schritt erfordert.
-
Bei den bekannten Verfahren, die während des Schneidverfahrens die Schnittbildung überwachen, wird hauptsächlich eine während des Schneidprozesses im Bearbeitungsbereich generierte Prozessstrahlung von einem ortsaufgelösten Empfänger detektiert. Es ist fraglich, ob mit derartigen Verfahren auch überwacht wird, ob der Schneidbutzen tatsächlich aus dem Werkstück herausgefallen ist. Hinweise darauf wurden in den genannten Publikationen nicht gefunden. Darüber hinaus verlangen diese Verfahren ortsaufgelöste Empfänger, die in der Regel deutlich kostenintensiver als Einzelempfänger sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum überwachten Laserschneiden von metallischen Werkstücken zu finden, bei dem unmittelbar vor Ende des Verfahrens festgestellt wird, ob ein Schneidbutzen vollständig ausgeschnitten wurde und aus dem Werkstück herausgefallen ist.
-
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungen sind in dem Unteranspruch angegeben.
-
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden.
-
Hierzu zeigen:
- 1a ein Werkstück mit einer offenen Soll-Schnittkontur mit Auslaufstück,
- 1b ein Werkstück mit einer geschlossenen Soll-Schnittkontur mit Auslaufstück und
- 2 Intensitätsverlauf eines reflektierten Strahlanteils der Bearbeitungsstrahlung über die Dauer des Schneidprozesses.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum überwachten Ausschneiden eines Schneidbutzens 2 aus einem metallischen Werkstück 1. Dabei wird ein Bearbeitungslaserstrahl 3 auf eine Werkstückoberfläche 1.1 des Werkstückes 1 gerichtet und entlang einer Soll-Schnittkontur 4 geführt. Die Soll-Schnittkontur 4 ist entweder eine den Umfang des Schneidbutzens 2 beschreibende, geschlossene Kontur, wie z.B. in 1b gezeigt, oder eine gemeinsam mit einer Werkstückkante 1.2 des Werkstückes 1, den Umfang des Schneidbutzens 2 beschreibende, offene Kontur, wie z.B. in 1a gezeigt.
-
Während der Bearbeitungslaserstrahl 3 entlang der Soll-Schnittkontur 4 geführt wird, bildet sich ein Trennschnitt 5 in dem Werkstück 1 aus, durch den der von der Soll-Schnittkontur 4 begrenzte Schneidbutzen 2 aus dem Werkstück 1 kontinuierlich heraustrennt wird. Gleichzeitig wird, wie in 2 dargestellt, über die Dauer T des Verfahrens die Intensität I eines von der Werkstückoberfläche 1.1 reflektierten Strahlanteils des Bearbeitungslaserstrahls 3 detektiert. Dabei ändert sich der Wert der Intensität I, jeweils abhängig vom Zustand der Werkstückoberfläche 1.1 am jeweils aktuellen Bearbeitungsort. Schwankungen und Toleranzen vernachlässigend, sind für die Überwachung des Schneidprozesses drei Intensitätswerte von Interesse, nämlich ein erster Intensitätswert I1 , der detektiert wird, bis der Bearbeitungslaser das Werkstück 1 erstmalig vollständig durchdringt, ein zweiter Intensitätswert I2 , der detektiert wird, solange ein das Werkstück 1 vollständig durchdringender Trennschnitt 5 erzeugt wird, und ein dritter Intensitätswert I3 , der detektiert wird, wenn am Bearbeitungsort, kein Material des Werkstückes 1 mehr vorhanden ist.
-
Entsprechend lässt sich aus dem Verlauf der Intensität I, über die Dauer des Verfahrens T, aus den ortsaufgelöst zuordenbaren Intensitätswerten schließen, ob ein vollständig das Werkstück 1 durchdringender Trennschnitt 5 über die gesamte Soll-Schnittkontur 4 erzeugt wurde. Über die Kenntnis der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück 1 und dem Bearbeitungslaserstrahl 3 kann jedem Zeitpunkt t während der Dauer T des Verfahrens ein Bearbeitungsort entlang der Soll-Schnittkontur 4 zugeordnet werden. Bei dem in 2 dargestellten Intensitätsverlauf liegen die Werte der Intensität an den Arbeitsorten an denen der Trennschnitt 5 hergestellt wird jeweils innerhalb eines ersten Toleranzbereiches δ1 um den zweiten Intensitätswert I2 was darauf hinweist, dass der Trennschnitt vollständig durch das Werkstück 1 hindurch geht. Entlang eines Auslaufweges 4.1, zudem an späterer Stelle näher ausgeführt wird, liegen die Werte der Intensität I oberhalb eines zweiten Toleranzbereiches δ2 um den dritten Intensitätswert I3 , was darauf hinweist, dass der Schneidbutzen nicht vollständig herausgelöst wurde.
-
Unabhängig von der Reflektivität der Werkstückoberfläche 1.1, eventuellen Schwankungen von Prozessparametern wie der Laserleistung, der Fokuslage oder des Verschmutzungsgrades im Strahlengang des Laserstrahls, nimmt die detektierte Intensität I zu einem Zeitpunkt t1 , bzw. an dem Bearbeitungsort, auf den zu dem Zeitpunkt t1 der Bearbeitungslaserstrahl 3 gerichtet ist, von dem ersten Intensitätswert I1 auf den zweiten Intensitätswert I2 erstmalig sprunghaft ab, wenn der Bearbeitungslaserstrahl 3 das Werkstück 1 durchstößt, und wird dann über die Länge der Soll-Schnittkontur 4 innerhalb der Breite eines ersten Toleranzbereiches δ1 um den zweiten Intensitätswert I2 liegen, wenn der Trennschnitt 5 kontinuierlich das Werkstück 1 vollständig durchdringt. Die Breite des ersten Toleranzbereiches δ1 hängt von den zulässigen Schwankungen der Prozessparameter ab, bei denen der Trennschnitt 5 immer noch vollständig das Werkstück 1 durchdringt. Um die Breite des ersten Toleranzbereiches δ1 im Voraus des Verfahrens zu bestimmen, werden vorteilhaft Schneidversuche an einer Vielzahl gleichartiger Werkstücke durchgeführt. Vorteilhaft werden dabei die Prozessparameter gezielt innerhalb der möglichen Schwankungsbereiche variiert und die detektierten zweiten Intensitätswerte I2 über die Dauer T abgespeichert, soweit die Schneidversuche jeweils zu einem vollständigen das Werkstück 1 durchdringenden Trennschnitt 5 geführt haben. Die hierbei gewonnenen zweiten Intensitätswerte I2 werden zur Ermittlung der Breite des ersten Toleranzbereiches δ1 und einer oberen Grenze des ersten Toleranzbereiches δ1 herangezogen. Die Intensitätswerte I2 werden jeweils einem Bearbeitungsort entlang der Soll-Schnittkontur 4 mit einem vollständig das Werkstück 1 durchdringenden Trennschnitt 5 zugeordnet. Liegt die Intensität I an wenigstens einem dieser Bearbeitungsorte oberhalb der oberen Grenze des ersten Toleranzbereiches δ1 ist das ein Hinweis dafür, dass an dieser Stelle der Trennschnitt 5 das Werkstück 1 nicht vollständig durchdringt.
-
Würde man das Verfahren beenden, wenn die Soll-Schnittkontur 4 zu einem Zeitpunkt t2 vollständig abgefahren wurde, würde die Intensität I ein zweites Mal sprunghaft abnehmen, was aber, da durch das Abschalten verursacht, keinen Informationsgehalt betreffs des Verfahrensergebnisses hätte.
-
Hier setzt die Erfindung an, indem der Bearbeitungslaserstrahl 3 nach vollständiger Führung entlang der Soll-Schnittkontur 4 zu einem Zeitpunkt t2 nicht abgeschaltet, sondern entlang eines in das Innere der Soll-Schnittkontur 4 verlaufenden Auslaufweges 4.1 geführt wird, siehe hierzu 1a und 1b. Dabei nimmt die detektierte Intensität I ein zweites Mal sprunghaft ab. Die detektierte Intensität I nimmt dann, wenn der Schneidbutzen 2 bereits aus dem Werkstück 1 herausgefallen ist, den dritten Intensitätswert I3 an, der detektiert wird, wenn der Bearbeitungslaserstrahl 3 quasi in ein Loch geführt wird. Auch nach dem Herausfallen des Schneidbutzens 2 aus dem Werkstück 1 kann noch bis zum Abschalten des Lasergenerators zu einem Zeitpunkt t3 ein Intensitätswert detektiert werden, der z.B. auf Reflexionen an einem Werkstückhalter zurückzuführen ist.
-
Es ist dem Fachmann klar, dass die Intensität I auch sprunghaft, allerdings mit einer geringeren Sprunghöhe abnimmt, wenn der Schneidbutzen 2 im Werkstück 1 verkippt hängen bleibt. Auch hier kann durch vorherige Versuche die definierte Sprunghöhe hd ermittelt werden, die ein sicheres Indiz dafür ist, dass der Schneidbutzen 2 herausgefallen ist.
-
Während der Bearbeitungslaserstrahl 3 nach vollständiger Führung entlang der Soll-Schnittkontur 4 entlang des in das Innere der Soll-Schnittkontur 4 verlaufenden Auslaufweges 4.1 geführt wird, kann nur dann sicher auf den herausgefallenen Schneidbutzen 2 geschlossen werden, wenn die sprunghafte Abnahme der Intensität I größer einer definierten Sprunghöhe hd ist.
-
Um die definierte Sprunghöhe hd zu ermitteln wird zuvor die Breite eines zweiten Toleranzbereiches δ2 , der um den dritten Intensitätswert I3 liegt, der detektiert wird wenn der Bearbeitungslaserstrahl 3 entlang dem Auslaufweg .4.1 bei herausgelöstem Schneidbutzen 2 geführt wird, ermittelt.
-
Auch die Breite des zweiten Toleranzbereiches δ2 hängt von den zulässigen Schwankungen der Prozessparameter ab. Um die Breite des zweiten Toleranzbereiches δ2 im Voraus des Verfahrens zu bestimmen, werden vorteilhaft Schneidversuche an einer Vielzahl gleichartiger Werkstücke durchgeführt. Vorteilhaft werden dabei die Prozessparameter gezielt innerhalb der möglichen Schwankungsbereiche variiert und die detektierten dritten Intensitätswerte I3 abgespeichert, soweit bei den Schneidversuchen der Schneidbutzen 2 herausgefallen ist. Die hierbei gewonnenen dritten Intensitätswerte I3 werden zur Ermittlung der Breite des zweiten Toleranzbereiches δ2 und einer oberen Grenze des zweiten Toleranzbereiches δ2 herangezogen.
-
Die definierte Sprunghöhe hd , bei der man sicher davon ausgehen kann, dass der Schneidbutzen 2 herausgefallen ist, ergibt sich aus der Differenz zwischen der oberen Grenze des ersten Toleranzbereiches δ1 für den zweiten Intensitätswert I2 , das heißt einem maximalen zweiten Intensitätswert I2 und der unteren Grenze des zweiten Toleranzbereiches δ2 für den dritten Intensitätswert I3 , das heißt einem minimalen dritten Intensitätswert I3 .
-
Geht man davon aus, dass Prozessparameter innerhalb eines Schneidprozesses wenigstens nahezu konstant sind, kann die definierte Sprunghöhe hd auch ohne eine vorherige Bestimmung der Toleranzbereiche δ1 , δ2 für die zweiten und dritten Intensitätswerte I2 , I3 , aus den für die einzelnen Werkstücke 1 gewonnenen unterschiedlichen zweiten und dritten Intensitätswerten I2 , I3 direkt ermittelt werden. Das kann z.B. durch eine Mittelwertbildung jeweils für die ersten und die zweiten Intensitätswerte I2 , I3 und eine anschließende Differenz- oder eine Quotientenbildung erfolgen. Statistisch kann die Standardabweichung und die Varianz ermittelt werden, die in die zulässige Breite des zweiten und auch ersten Toleranzbereichs δ1 , δ2 einfließen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine mehrfache Kontrolle des Verfahrensergebnisses dar.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird noch während der Durchführung des Verfahrens festgestellt, ob der Schneidbutzen 2 aus dem Werkstück 1 vollständig herausgelöst wurde.
-
Dadurch kann rückgeschlossen werden, dass der Trennschnitt 5 entlang der gesamten Soll-Schnittkontur 4 das Werkstück 1 vollständig durchdringt. Auch kann rückgeschlossen werden, dass im Falle einer geschlossenen Soll-Schnittkontur 4 auch die Ist-Schnittkontur eine geschlossene Kontur darstellt.
-
Gleichzeitig kann aus dem Intensitätsverlauf I auch festgestellt werden, wo entlang der Soll-Schnittkontur 4 gegebenenfalls der Trennschnitt 5 das Werkstück 1 nicht vollständig durchdrungen hat. Dem Fachmann ist klar, dass genau genommen der Intensitätsverlauf I in einem für die Detektion verwendeten Detektor einen hierzu korrelierenden Signalverlauf generiert und korrekterweise von einer Bewertung des Signalverlaufs auszugehen ist, um den Schneidprozess zu überwachen. Es ist aber nicht unüblich und unterstützt eine einfachere Beschreibung, wenn der Überwachungsprozess anhand der detektierten Größe, hier der Intensität I, dargestellt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Werkstück
- 1.1
- Werkstückoberfläche
- 1.2
- Werkstückkante
- 2
- Schneidbutzen
- 3
- Bearbeitungslaserstrahl
- 4
- Soll-Schnittkontur
- 4.1
- Auslaufweg
- 5
- Trennschnitt
- I
- Intensität
- T
- Dauer des Schneidprozesses
- I1
- erster Intensitätswert
- I2
- zweiter Intensitätswert
- I3
- dritter Intensitätswert
- hd
- definierte Sprunghöhe
- t
- Zeit
- δ1
- Breite des ersten Toleranzbereiches
- δ2
- Breite des zweiten Toleranzbereiches