DE102018126100A1

DE102018126100A1 - Verfahren zur Bestimmung des Freischnittpunkts beim Ausschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück und Schneidmaschine hierfür

Info

Publication number: DE102018126100A1
Application number: DE102018126100.4A
Authority: DE
Inventors: Marc Klinkhammer; Karl Lukas Knierim
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Freischnittpunkts (F) eines entlang eines Schneidpfads geführten Schneidstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, zum Ausschneiden eines Werkstückteils (12) aus einem Werkstück (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte:a) Wählen eines ersten Einstechpunkts und eines ersten Freischnittpunkts (F),b) Bestimmen ob es zwischen dem freigeschnittenen Werkstückteil (12) und dem Werkstück (10) bei einer Rotation des Werkstückteils (12) zu einem Berührkontakt kommt,c) Bestimmen des Kippwinkels φ des Werkstückteils (12) gegenüber der Horizontalen (18) nach Erreichen des ersten Freischnittpunkts (F) im Moment des Berührkontaktes aufgrund der Rotation des Werkstückteils (12),d) falls es gemäß Schritt c) zu einem Berührkontakt kommt, Bestimmen ob die Gleichungmit µ: Haftreibungskoeffizient des Werkstückmaterials und mit φ: Kippwinkels des Werkstückteils gegenüber der Horizontalen, im Moment des Berührkontakts erfüllt ist, unde) falls die Gleichung gemäß Schritt d) erfüllt ist, Erzeugen eines Ausgabesignals S, das die Information repräsentiert, dass es zu einem Verklemmen des Werkstückteils (12) im Werkstück (10) kommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Freischnittpunkts eines entlang eines Schneidpfads geführten Schneidstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, zum Ausschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Ausschneiden von Werkstückteilen aus Werkstücken, die insbesondere plattenförmig oder rohrförmig sein können, in vielfältiger Art und Weise bekannt. Das Ausschneiden erfolgt mittels eines Schneidstrahls, insbesondere eines Laserstrahls.
Das Ausschneiden erfolgt dabei entlang eines Schneidpfads. Der Schneidstrahl sticht in einem Einstechpunkt in das Werkstück und wird entlang des Schneidpfads hin zu einem Freischnittpunkt geführt. Im Freischnittpunkt löst sich das Werkstückteil aus dem Werkstück und fällt in der Regel der Schwerkraft folgend nach unten. Beim Erreichen des Freischnittpunkts kann es, je nach Geometrie des Werkstückteils und je nach Stärke des Gasdrucks des Schneidgases, zu einem Verkippen des Werkstückteils kommen, da das Werkstückteil durch den am Freischnittpunkt einwirkenden Gasdruck des Schneidgases in eine Rotation versetzt werden kann.
Aus der DE 195 03 377 C2 ist es beispielsweise bekannt, die Verkippung des Werkstückteils auf Grundlage seines Gewichts und nach der Form, Anzahl und Anbringungsposition von an der Schneidbahn vorgesehenen Brückenteile zu bestimmen. Ähnliches ist aus der DE 10 2014 00 208 B3 und der DE 10 2016 22 058 44 bekannt. Bei diesen Dokumenten wird das Ergebnis der Berechnung in erster Linie dazu benutzt, die Anzahl und Position dieser Brückenteile (Microjoints) festzulegen oder den Freischnittpunkt so zu wählen, dass ein Kippen des Werkstückteils vermieden wird.
Es hat sich gezeigt, dass dennoch ein Kippen des Werkstückteils nicht immer vermieden werden kann. Durch Auftreten eines Verkippens kann es dazu kommen, dass das freigeschnittene Werkstückteil im Werkstück verklemmt und nicht sicher ausgeschleust, insbesondere der Schwerkraft folgend nach unten abgeführt werden kann. Tritt ein derartiges Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück auf, so kann dies zu ungewollten Beschädigungen und Ausfallzeiten der Maschine führen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren für eine Schneidmaschine und eine Schneidmaschine bereitzustellen, mit dem bzw. mit der ein Verklemmen der Werkstückteile im Werkstück möglichst ausgeschlossen wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren zeichnet sich insbesondere durch folgende Schritte aus:

a) Wählen eines ersten Einstechpunkts und eines ersten Freischnittpunkts,
b) Bestimmen ob es bei der Rotation zwischen dem freigeschnittenen Werkstückteil und dem Werkstück zu einem Berührkontakt im Schnittspalt kommt,
c) Bestimmen des Kippwinkels φ des Werkstückteils gegenüber der Horizontalen nach Erreichen des ersten Freischnittpunkts im Moment des Berührkontaktes aufgrund der Rotation des Werkstückteils,
d) falls es gemäß Schritt b) zu einem Berührkontakt kommt, Bestimmen ob die Gleichung tan φ < µ_m, mit µ_m: Haftreibungskoeffizient des Werkstückmaterials und mit φ: Kippwinkel des Werkstückteils gegenüber der Horizontalen, im Moment des Berührkontakts erfüllt ist,
e) falls die Gleichung gemäß Schritt d) erfüllt ist, Erzeugen eines Ausgabesignals S_K , das die Information repräsentiert, dass es zu einem Verklemmen des Werkstückteils (12) im Werkstück (10) kommt.

Es hat sich gezeigt, dass dann, wenn die Gleichung tan φ < µ_m erfüllt ist, es regelmäßig zu einem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück kommt. Ferner hat sich gezeigt, dass wenn diese Gleichung nicht erfüllt ist, die ganz überwiegende Mehrheit der Werkstückteile trotz eines Verkippens und eines Berührens des Werkstücks sicher der Schwerkraft folgend abgeführt und damit ausgeschleust werden können.
Unter Berücksichtigung der Gleichung tan φ < µ_m wird folglich ein Berühren des Werkstückteils im Werkstück in Kauf genommen, wobei trotz eines Berührens ein sicheres Abführen des jeweiligen Werkstückteils gewährleistet werden kann.
Das in Schritt e) erzeugte Ausgabesignal S_K kann insbesondere dazu führen, dass einem Maschinenbediener/ Programmierer angezeigt wird, dass bei der Wahl des gewählten Einstechpunkts und/oder des gewählten Freischnittpunkts gemäß Schritt a) es zu einem Verklemmen des Werkstückteils kommen wird.
Ferner ist vorteilhaft, falls es gemäß Schritt b) zu keinem Berührkontakt kommt, ein Ausgabesignal S_F erzeugt wird, das die Information repräsentiert, dass es zu keinem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück kommt. Dieses Ausgabesignal kann der Bedienperson bzw. dem Programmierer zur Kenntnis gebracht werden. Dadurch kann der Bedienperson bzw. dem Programmierer mitgeteilt werden, dass der in Schritt a) gewählte Einstechpunkt und Freischnittpunkt zu keinem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück führen wird.
In diesem Zusammenhang ist auch vorteilhaft, falls gemäß Schritt d) die Gleichung tan φ < µ_m nicht erfüllt ist, dass dann ein Ausgabesignal S_F , das ebenfalls die Information repräsentiert, dass es zu keinem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück kommen wird, erzeugt und vorzugsweise der Bedienperson bzw. dem Programmierer, der das Steuerungsprogramm für die Schneidmaschine erstellt, zur Kenntnis gebracht wird.
Gemäß der Erfindung ist es weiterhin vorteilhaft, dass dann, falls in Schritt e) ein Ausgabesignal S_K erzeugt wird, in einem weiteren Schritt f) ein vom ersten Freischnittpunkt unterschiedlicher weiterer Freischnittpunkt gewählt wird und dass die Schritte b) bis f) solange wiederholt werden, bis ein Ausgabesignal S_F , das ein Nichtverklemmen repräsentiert, erzeugt wird. Diese Schritte werden folglich solange durchlaufen, bis feststeht, dass es bei dem gewählten Freischnittpunkt zu keinem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück kommen wird. Das so programmierte Werkstückteil kann dann an der Schneidmaschine mit einem derart bestimmten Freischnittpunkt geschnitten werden, wobei sichergestellt ist, dass es mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit zu keinem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück kommen wird.
Gemäß der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Freischnittpunkt so gewählt wird, dass in der Schneidbahn Verbindungsstege (Microjoints) verbleiben, um die Werkstückteile im Werkstück vor der Herausnahme zu fixieren. Insbesondere bei größeren Werkstückteilen kann dies vorteilhaft sein sowie auch dann, wenn bei mehrfacher Änderung des Freischnittpunkts kein Freischnittpunkt gefunden wird, an dem kein Verklemmen des freigeschnittenen Werkstückteils auftritt.
Für den Fall, dass es sich bei dem Werkstoff des Werkstücks, und damit auch des Werkstückteils, um Stahl handelt, wird das Verfahren vorzugsweise gemäß Patentanspruch 7 ausgeführt. Da die Wirkstoffkombination Stahl auf Stahl einen Haftreibungskoeffizienten im Bereich von 0,15 - 0,2 aufweist, kommt es insbesondere dann zu keinem Verklemmen, wenn der Kippwinkel φ des Werkstückteils (12) gegenüber der Horizontalen größer als 11,3° und vorzugsweise größer 12° ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise in einem Programmiersystem für eine Laserschneidmaschine durchgeführt, in dem ein Steuerungsprogramm für die Maschine erzeugt wird. Mittels des Steuerungsprogramms kann eine Regel- und Steuereinrichtung der Schneidmaschine, an die das Steuerungsprogramm übergeben wird, den Schneidstrahl zur Erzeugung des Schneidpfads steuern. Mit einer derartigen Schneidmaschine kann der Schneidprozess so durchgeführt werden, dass mit ausreichender Sicherheit ein Herausfallen der freigeschnittenen Werkstückteile gewährleistet ist.
Die Erfindung betrifft letztlich auch ein Computerprogrammprodukt, das Codemittel aufweist, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Regel- und Steuereinrichtung einer Schneidmaschine bzw. auf einer Programmiereinrichtung für eine solche Regel- und Steuerungseinrichtung, insbesondere einer Laserschneidmaschine läuft.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch ein aus einem Werkstück freigeschnittenen Werkstückteil;
2 das Werkstückteil gemäß 1 in verkipptem Zustand;
3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der 1 ist ein Werkstück 10 gezeigt, aus welchem mittels einem nicht gezeigten Laserstrahl ein Werkstückteil 12 herausgeschnitten ist. Zwischen dem Werkstück 10 und dem Werkstückteil 12 befindet sich ein mit dem Laserstrahl erzeugter Schnittspalt 14. Der Schnittspalt 14 weist dabei eine Schnittspaltbreite s auf. Wie aus 1 deutlich wird, weist das Werkstückteil 12 eine sich in horizontaler Richtung vom Freischnittpunkt F_p aus senkrecht zur Kippachse des Werkstückteils 12 bis zur gegenüberliegenden Schnittkante des Werkstückteils 12 erstreckende Länge L und eine vom Freischnittpunkt F_p ausgehende, bis zur Werkstückunterseite an der gegenüberliegenden Schnittkante des Werkstückteils 12 verlaufende Diagonale D auf.
In dem Moment, in dem der Schnittspalt 14 geschlossen wird, kann insbesondere in Abhängigkeit der Wahl des Freischnittpunkts F_p und in Abhängigkeit der Geometrie des Werkstückteils 12, ein Verkippen des Werkstückteils um dessen Schwerpunkt 16 beziehungsweise um eine durch den Schwerpunkt 16 verlaufende Kippachse erfolgen. Ob es zu einem Verkippen kommt hängt dabei insbesondere ab vom Rotationsträgheitsmoment des Werkstückteils und vom Schneidgasdruck eines im Schneidprozess eingesetzten Schneidgases ab. Die Kippachse verläuft senkrecht zu einer Geraden durch den Freischnittpunkt F_p und den Schwerpunkt 16 des Werkstückteils 12 und parallel zur Oberfläche des Werkstückteils 12.
Falls die Diagonale D größer ist als die Länge L des Werkstücks plus der doppelten Schnittspaltbreite, also wenn D > L + 2s ist, kommt es bei einem Verkippen des Werkstückteils 12 zu einem Berührkontakt in den Punkten B mit dem Werkstück 10.
Tritt ein Verkippen auf, so kann der Kippwinkel φ gegenüber der Horizontalen 18, der in 2 gezeigt ist, bestimmt werden und zwar gemäß der Formel: $φ = 180 ° - asin ((L / 2 - s) / (D / 2)) .$
In dem Fall, in dem es zu einem Berührkontakt in den Punkten B kommt, wird aus der Gleichung tan φ < µ_m bestimmt, ob es zu einem Verklemmen des Werkstückteils 12 im Werkstück 10 kommt. µ_m ist dabei der Haftreibungskoeffizient des Werkstückmaterials und φ Kippwinkels des Werkstückteils gegenüber der Horizontalen. Ist die genannte Gleichung erfüllt, so kommt es zu einem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück; das Werkstückteil folgt dann nicht der Schwerkraft, sondern verharrt mit überwiegender Wahrscheinlichkeit in einer verklemmten Position im Werkstück 10.
Wird andererseits die Gleichung tan φ < µ_m nicht erfüllt, so gleitet das Werkstückteil 12 am Werkstück 10 der Schwerkraft folgend nach unten und verlässt das Werkstückteil 10. Über die Beziehung tan φ < µ_m kann folglich abgeleitet werden, ob es zu einem Verklemmen des Werkstückteils 12 im Werkstück 10 kommen wird oder nicht.
Der Haftreibungskoeffizient des Werkstoffs Stahl auf Stahl liegt im trockenen Zustand im Bereich von ca. 0,15 bis 0,2. Hieraus ergibt sich, dass es bei einem Wert φ < 8,5° bis 11,3° zu einem Verklemmen des Werkstückteils im Werkstück kommt. Beträgt der Winkel φ folglich mehr als ca. 12°, ist damit zu rechnen, dass es bei dem Werkstoff Stahl zu keinem Verklemmen kommt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, dessen Ablauf in 3 gezeigt ist, ist es also vorgesehen, dass in einem Schritt a) zunächst der Einstechpunkt und der Freischnittpunkt F_p vorgegeben werden.
In einem Schritt b) wird dann bestimmt, ob es bei einer Rotation des freigeschnittenen Werkstückteils 12 im Werkstück 10 um eine senkrecht zur Geraden zwischen dem Freischnittpunkt F_p und dem Schwerpunkt 16 des Werkstückteils 12 durch den Schwerpunkt 16 verlaufenden Kippachse zu einem Berührkontakt zwischen dem Werkstückteil 12 und dem Werkstück 10 kommt, ob also gilt D > L + 2s. Kommt es zu keinem Berührkontakt, so wird ein Ausgabesignal S_F abgegeben, welches die Information repräsentiert, dass es zu keinem Verklemmen kommen wird. Der Schneidvorgang kann folglich dann mit dem gewählten ersten Einstechpunkt und dem gewählten ersten Freischnittpunkt F_p durchgeführt werden.
Sollte im Schritt b) festgestellt werden, dass es zu einem Berührkontakt kommt, so wird in einem Schritt c) gemäß der Formel φ = 180°-asin((L/2-s)/(D/2)) bestimmt, wie groß der Kippwinkel φ ist, wenn das Werkstückteil 12 das Werkstück 10 an den Punkten B berührt. Anschließend wird in einem Schritt d) bestimmt, ob die Gleichung tan φ < µ_m im Moment des Berührkontakts erfüllt ist. Sollte diese Gleichung nicht erfüllt sein, so wird ein Ausgabesignal S_F abgegeben, welches die Information repräsentiert, dass es zu keinem Verklemmen kommen wird.
Sollte die Gleichung tan φ < µ_m erfüllt sein, so wird in einem Schritt e) ein Ausgabesignal S_K erzeugt, das die Information repräsentiert, dass es zu einem Verklemmen des Werkstückteils kommen wird. Die Ausgabesignale S_F und S_K können beispielsweise einem Bediener der Schneidmaschine oder einem Programmierer bei der Erstellung des Steuerungsprogramms für die Schneidmaschine zur Kenntnis gebracht werden, beispielsweise über einen Monitor.
Wird im Schritt e) das Ausgabesignal S_K erzeugt, so wird in einem Schritt f) ein vom ersten Freischnittpunkt F_p unterschiedlicher weiterer Freischnittpunkt und insbesondere auch ein vom ersten Einstechpunkt unterschiedlicher weiterer Einstechpunkt gewählt, wobei die Schritte b) und c) und weiter gegebenenfalls d) und e) und weiter gegebenenfalls erneut f) solange wiederholt werden, bis letztlich ein Ausgabesignal S_F erzeugt wird, also bis letztlich ein Einstechpunkt und ein Freischnittpunkt gefunden wurde, bei dem es zu keinem Verklemmen des Werkstückteils 12 im Werkstück 10 kommt.
Das Verfahren gemäß 3 kann dabei in einer Schneidmaschine 20, die in 3 angedeutet ist, und insbesondere in deren Regel- und Steuereinheit 22, oder in einem von der Schneidmaschine unabhängigen Programmiersystem, das üblicherweise auf einem Industrie-PC implementiert ist, durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19503377 C2 [0004]
DE 10201400208 B3 [0004]
DE 1020162205844 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Freischnittpunkts (F_p) eines entlang eines Schneidpfads geführten Schneidstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, zum Ausschneiden eines Werkstückteils (12) aus einem Werkstück (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Wählen eines ersten Einstechpunkts und eines ersten Freischnittpunkts (F_p), b) Bestimmen ob es zwischen dem freigeschnittenen Werkstückteil (12) und dem Werkstück (10) bei einer Rotation des Werkstückteils (12) zu einem Berührkontakt kommt, c) Bestimmen des Kippwinkels φ des Werkstückteils (12) gegenüber der Horizontalen (18) nach Erreichen des ersten Freischnittpunkts (F_p) im Moment des Berührkontaktes aufgrund der Rotation des Werkstückteils (12), d) falls es gemäß Schritt b) zu einem Berührkontakt kommt, Bestimmen ob die Gleichung $t a n φ < μ_{m},$
mit µ_m: Haftreibungskoeffizient des Werkstückmaterials und mit φ: Kippwinkels des Werkstückteils gegenüber der Horizontalen, im Moment des Berührkontakts erfüllt ist, und e) falls die Gleichung gemäß Schritt d) erfüllt ist, Erzeugen eines Ausgabesignals S_K, das die Information repräsentiert, dass es bei dem gewählten Freischnittpunkt zu einem Verklemmen des Werkstückteils (12) im Werkstück (10) kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass falls es gemäß Schritt b) zu keinem Berührkontakt kommt, Erzeugen eines Ausgabesignals S_F, das die Information repräsentiert, dass es bei dem gewählten Freischnittpunkt zu keinem Verklemmen des Werkstückteils (12) im Werkstück (10) kommt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass falls gemäß Schritt d) die Gleichung nicht erfüllt ist, Erzeugen eines Ausgabesignals S_F, das die Information repräsentiert, dass es zu keinem Verklemmen des Werkstückteils (12) im Werkstück (10) kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, falls in Schritt e) ein Ausgabesignal S_K erzeugt wird, in einem weiteren Schritt f) ein vom ersten Freischnittpunkt unterschiedlicher weiterer Freischnittpunkt gewählt wird und dass die Schritte b) bis f) solange wiederholt werden, bis ein Ausgabesignal S_F erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freischnittpunkt so gewählt wird, dass in der Schneidbahn Verbindungsstege verbleiben, um die Werkstückteile im Werkstück vor der Herausnahme zu fixieren, falls die Gleichung im Schritt d) erfüllt ist.
Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Freischnittpunkts (F_p) eines entlang eines Schneidpfads geführten Schneidstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, zum Ausschneiden eines Werkstückteils (12) aus einem Werkstück (10), wobei das Werkstück (10) und das Werkstückteil aus Stahl (12) sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Wählen eines ersten Einstechpunkts und eines ersten Freischnittpunkts (F_p), b) Bestimmen ob es zwischen dem freigeschnittenen Werkstückteil (12) und dem Werkstück (10) bei einer Rotation des Werkstückteils (12) zu einem Berührkontakt kommt, c) Bestimmen des Kippwinkels φ des Werkstückteils (12) gegenüber der Horizontalen (18) nach Erreichen des ersten Freischnittpunkts (F_p) im Moment des Berührkontaktes aufgrund der Rotation des Werkstückteils (12), d) falls es gemäß Schritt c) zu einem Berührkontakt kommt, Bestimmen ob der Kippwinkel größer als 11,3° und vorzugsweise größer als 12° im Moment des Berührkontakts ist, und e) falls der Kippwinkel größer als 11,3° und vorzugsweise größer als 12° ist, Erzeugen eines Ausgabesignals S_F, das die Information repräsentiert, dass es zu keinem Verklemmen des Werkstückteils (12) im Werkstück (10) kommt.
Programmiereinrichtung für eine Schneidmaschine (20), insbesondere Laserschneidmaschine, umfassend eine Regel- und Steuereinrichtung (22), die zum Regeln- und Steuern des Schneidstahls und zur Erzeugung des Schneidpfads mit einem Einstechpunkt und einem Freischnittpunkt eingerichtet ist, wobei die Programmiereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zur Übergabe des Freischnittpunkts (F_p) an die Regel- und Steuereinrichtung (22) eingerichtet ist.
Computerprogrammprodukt, das Codemittel aufweist, die zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Programmiereinrichtung einer Schneidmaschine (20) läuft.