DE102020209589A1

DE102020209589A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020209589A1
Application number: DE102020209589.2A
Authority: DE
Inventors: Simon Ockenfuß; Carsten Krenz; Alexander Keck; Florian Wiesweg
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks (2), umfassend: Trennendes Bearbeiten des Werkstücks (2) durch Ausrichten eines Schneidstrahls (4) auf eine erste Seite (10a) des Werkstücks (2), Erfassen von beim trennenden Bearbeiten an einer zweiten Seite (10b) des Werkstücks (2) austretenden Prozesslicht (13), sowie Auswerten des erfassten Prozesslichts (13) zum Detektieren des Fehlschnitts. Das Verfahren umfasst die folgenden weiteren Schritte: Überlagern des Schneidstrahls (4) mit einem vorgegebenen Überlagerungs-Signal (16), sowie Erkennen des Fehlschnitts, wenn beim Auswerten des Prozesslichts (13) das Fehlen des vorgegebenen Überlagerungs-Signals (16) in dem erfassten Prozesslicht (13) detektiert wird. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Vorrichtung (1) zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines plattenförmigen Werkstücks (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend: Trennenden Bearbeiten des Werkstücks durch Ausrichten eines Schneidstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf eine erste Seite des Werkstücks, Erfassen von beim trennenden Bearbeiten an einer zweiten Seite des Werkstücks austretendem Prozesslicht, sowie Auswerten des erfassten Prozesslichts zum Erkennen des Fehlschnitts. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks, umfassend: eine Trenneinrichtung zum Ausrichten eines Schneidstrahls auf eine erste Seite eines bevorzugt plattenförmigen Werkstücks, einen Detektor zur Erfassung von beim trennenden Bearbeiten mit dem Schneidstrahl an einer zweiten Seite des Werkstücks austretendem Prozesslicht, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des erfassten Prozesslichts zum Erkennen des Fehlschnitts. Bei dem Werkstück kann es sich um ein plattenförmiges Werkstück handeln, aber auch um ein Werkstück mit einer anderen Geometrie, beispielsweise um ein rohrförmiges Werkstück.
Eine Herausforderung beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Schneidstrahls, beispielsweise mittels eines Laserstrahls, besteht darin, eine Aussage über den aktuellen Zustand, insbesondere die Güte, des Schneidprozesses zu machen. Informationen zur Güte des Schneidprozesses ermöglichen es, unmittelbar auf Probleme reagieren zu können, z.B. indem in den Prozess eingegriffen wird, oder indem Fehler bzw. Maschinenstillstände im Nachgang korrekt der jeweiligen Ursache zugeordnet werden. Eine solche Prozessstörung stellt ein so genannter Fehlschnitt (im Folgenden auch als Schnittabriss bezeichnet) dar. Bei einem Fehlschnitt wird das Werkstück nicht vollständig durchtrennt, d.h. der auf die erste Seite (üblicherweise die Oberseite) des Werkstücks ausgerichtete Schneidstrahl tritt nicht an der zweiten, der ersten gegenüberliegenden Seite (üblicherweise der Unterseite) aus dem Werkstück aus.
Eine mögliche Ursache für einen Schnittabriss bzw. für einen Fehlschnitt ist eine unzureichende Energieeinbringung in das Werkstück, die dazu führt, dass die Schmelze an der Schnittunterkante nicht mehr vollständig ausgetrieben werden kann und in der Schnittfuge erstarrt. Eine andere mögliche Ursache für einen Schnittabriss sind Störungen des Schneidprozesses, z.B. in Form von Kollisionen von Komponenten, z.B. einer Schneiddüse, mit dem Werkstück.
Aus der EP 2 164 672 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Prozesslicht während eines Schneidvorgangs bekannt geworden. Bei dem Verfahren wird während des Schneidvorgangs an der Unterseite eines plattenförmigen Werkstücks austretendes Prozesslicht durch eine unterhalb des plattenförmigen Werkstücks angeordnete Detektionsvorrichtung mit Hilfe eines Sensorelements z.B. in Form einer Fotodiode erfasst. Wenn das Einstechen des Schneidstrahls in das plattenförmige Werkstück beendet ist, kann das detektierte Prozesslicht zur Fehlschnitterkennung ausgewertet werden. Bei der Unterschreitung eines Schwellwerts der Helligkeit des Prozesslichts kann ein Fehlschnitt erkannt und eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
Bei dem erfassten Prozesslicht handelt es sich um das gesamte von der Detektionsvorrichtung erfasste Licht: Das erfasste Prozesslicht umfasst einen Anteil, der auf Störeinflüsse wie Wärmestrahlung, z.B. durch herabfallende Schlackeparktikel, zurückzuführen ist, sowie einen Anteil, der auf das Vorhandensein des Schneidstrahls, beispielsweise des Laserstrahls, zurückzuführen ist, sofern der Schneidstrahl aus dem Werkstück austritt, d.h. sofern kein Fehlschnitt vorliegt.
Es hat sich gezeigt, dass es bei der Auswertung des Prozesslichts auf die in der EP 2 164 672 B1 beschriebene Weise zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem Auftreten des Fehlschnitts und dem Abfall des Signalpegels bzw. der Helligkeit des Prozesslichts kommt. Der vergleichsweise langsame Abfall des Signalpegels des Prozesslichts ist eine Folge von verbleibender Wärmestrahlung, z.B. aufgrund von herabfallenden Schlacke-Partikeln, die auch nach dem Auftreten des Fehlschnitts noch vorhanden sind. Auch durch eine komplexe Signalverarbeitung bzw. durch eine Filterung der Wellenlänge des Prozesslichts auf die Wellenlänge des Schneidstrahls lässt sich die für die Fehlschnitterkennung benötigte Zeitdauer nicht wesentlich verkürzen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine möglichst sichere und zeitnahe Erkennung eines Fehlschnitts ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches folgende weitere Schritte umfasst: Überlagern des Schneidstrahls mit einem vorgegebenen Überlagerungs-Signal, sowie Erkennen des Fehlschnitts, wenn beim Auswerten des Prozesslichts das Fehlen des Überlagerungs-Signals in dem erfassten Prozesslicht detektiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das erfasste Prozesslicht - typischerweise mit Hilfe eines geeigneten Analyseverfahrens - im Hinblick auf das Vorhandensein des Überlagerungs-Signals untersucht. Bei einem Fehlschnitt wird aufgrund des kontinuierlichen Strahlungsspektrums der Wärmestrahlung der Schlacke-Partikel zwar noch verbleibende Strahlung im Bereich der Wellenlänge des Schneidstrahls, typischerweise in Form eines Laserstrahls, erfasst, da der Schneidstrahl und somit auch das Überlagerungs-Signal nicht mehr die Unterseite des Werkstücks erreicht, verschwindet das Überlagerungs-Signal bei einem Fehlschnitt aber praktisch instantan. Ein Fehlen des bekannten, vorgegebenen Überlagerungs-Signals in dem erfassten Prozesslicht ermöglicht es somit, einen Fehlschnitt unmittelbar, d.h. praktisch ohne Verzögerung, zu erkennen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Zeitdauer bis zur sicheren Erkennung einer Prozessstörung in Form eines Fehlschnitts daher deutlich reduziert werden. Zudem ist auch der Signalverlauf bei einem Fehlschnitt vergleichsweise steil, wodurch die Zuverlässigkeit bei der Erkennung eines Fehlschnitts erhöht wird.
Bei einer Variante wird beim Auswerten aus dem erfassten Prozesslicht ein resultierendes Prozesslichtsignal gebildet, um das Überlagerungs-Signal in dem erfassten Prozesslicht (besser) zu erkennen bzw. zu identifizieren. Bei dieser Variante des Verfahrens wird eine Signalverarbeitung des Prozesslichts durchgeführt, um ein resultierendes Prozesslichtsignal zu bilden, aus dem das vorgegebene Überlagerungs-Signal besser zu identifizieren ist als in dem erfassten Prozesslicht bzw. in einem zu dem erfassten Prozesslicht proportionalen, nicht durch eine Signalverarbeitung veränderten (Roh-)Prozesslichtsignal. Die Bildung des resultierenden Prozesslichtsignals erfolgt in der Regel mit gängigen mathematischen Methoden der Signalverarbeitung, beispielsweise kann eine „short-time“ FFT(Fast-Fourier-Transformation), eine Wavelet-Transformation, eine andere Art von Transformation bzw. von Filterfunktion, etc. an dem (Roh-)Prozesslichtsignal durchgeführt werden, um das resultierende Prozesslichtsignal zu bilden.
Bei einer Weiterbildung dieser Variante wird das resultierende Prozesslichtsignal aus dem Prozesslicht in jeweils vorgegebenen, bevorzugt teilweise überlappenden Zeitintervallen gebildet. Bei dieser Weiterbildung wird das Messsignal bzw. das Prozesslicht in viele kleine Zeitintervalle zerlegt, denen jeweils ein Zeitstempel zugeordnet wird. Für die vorliegende Anwendung kann die Zeitdauer eines jeweiligen Zeitintervalls in der Größenordnung von Millisekunden liegen, z.B. bei ca. 20 Millisekunden. Um die Zahl der Signalwerte zu erhöhen, können zeitlich aufeinander folgende Zeitintervalle teilweise zeitlich überlappen: Beispielsweise können zeitlich aufeinanderfolgende Zeitintervalle jeweils um 50% überlappen. Im obigen Beispiel kann z.B. alle 10 Millisekunden ein Zeitintervall gebildet werden, um aus dem Prozesslicht der letzten 20 Millisekunden ein resultierendes Prozesslichtsignal zu erzeugen. Die weiter oben beschriebene Signalverarbeitung wird an dem Prozesslichtsignal in jedem Zeitintervall einzeln durchgeführt.
Bei einer weiteren Variante wird beim Bilden des resultierenden Prozesslichtsignals ein Frequenzspektrum des erfassten Prozesslichts erzeugt. Insbesondere kann ein jeweiliges Frequenzspektrum in einem der weiter oben beschriebenen Zeitintervalle z.B. durch eine FFT-Transformation in dem jeweiligen Zeitfenster erzeugt werden. Es versteht sich, dass auch vor dem Erzeugen des Frequenzspektrums an dem Prozesslicht bzw. an dem Roh-Prozesslichtsignal eine Signalverarbeitung durchgeführt werden kann, beispielsweise indem dieses abgeleitet wird.
Bei einer weiteren Variante wird ein Fehlschnitt erkannt, wenn das resultierende Prozesslichtsignal einen Schwellwert unterschreitet. Die Erkennung des Fehlschnitts erfolgt, wie dies in der eingangs zitierten EP 2 164 672 B1 beschrieben wurde, durch einen Vergleich mit einem Schwellwert, allerdings mit dem resultierenden Prozesslichtsignal, das eine vergleichsweise komplexe Signalverarbeitung durchlaufen hat, und nicht an dem Roh-Prozesslichtsignal. Im Gegensatz zum erfassten Prozesslicht fällt das resultierende Prozesslichtsignal aufgrund der Signalverarbeitung nach einem Fehlschnitt deutlich schneller ab, so dass ein Fehlschnitt praktisch instantan erkannt werden kann.
Bei einer Variante ist das vorgegebene Überlagerungs-Signal ein deterministisches Signal, insbesondere mit einer vorgegebenen Frequenz. Ein deterministisches Überlagerungs-Signal, beispielsweise mit einer vorgegebenen, konstanten Frequenz, kann mit geringem Aufwand erzeugt werden. Auch das Identifizieren eines Überlagerungs-Signals mit einer konstanten Frequenz in dem resultierenden Prozesslichtsignal ist typischerweise nicht allzu aufwändig. Bei der Bildung des resultierenden Prozesslichtsignals hat es sich in diesem Fall als günstig erwiesen, wenn das erfasste Prozesslicht bzw. das Roh-Prozesslichtsignal zunächst abgeleitet (d.h. differenziert) wird, bevor aus dem erfassten Prozesslicht ein Frequenzspektrum erzeugt wird.
Da die vorgegebene Frequenz bekannt ist, ist für die Erkennung des Fehlschnitts nicht das gesamte Frequenzspektrum relevant, vielmehr ist es ausreichend, wenn lediglich das Frequenzspektrum an der vorgegebenen Frequenz, beispielsweise mittels eines Lock-In-Verstärkers, oder ein kleiner Frequenzbereich um die vorgegebene Frequenz abgesucht wird, z.B. in einem Intervall von +/- 1 % um die vorgegebene Frequenz. Der Signalwert mit der maximalen Amplitude in dem Frequenzspektrum in dem relevanten Frequenzbereich oder an der vorgegebenen Frequenz wird jeweils mit dem Zeitpunkt verknüpft, in dem das jeweilige Zeitfenster aufgenommen wurde. Auf diese Weise kann ein resultierendes Prozesslichtsignal gebildet werden, das den zeitlichen Verlauf der Frequenzanteile des erfassten Prozesslichts um bzw. an der vorgegebenen Frequenz enthält und somit die Identifizierung der vorgegebenen Frequenz und somit des Überlagerungs-Signals erleichtert.
Bei einer alternativen Variante ist das vorgegebene Überlagerungs-Signal ein stochastisches oder pseudo-stochastisches Signal, insbesondere eine Pseudozufallszahlenfolge, beispielsweise eine Pseudo-Random-Binary Sequence oder eine Gold-Folge. In diesem Fall handelt es sich bei dem Überlagerungs-Signal um ein Zufallssignal bzw. um ein Pseudo-Zufallssignal, das mit dem erfassten Prozesslicht verglichen bzw. korreliert wird, um dessen Vorhandensein bzw. dessen Fehlen im Prozesslicht bzw. in dem resultierenden Prozesslichtsignal zu detektieren. Der Vergleich bzw. die Identifizierung des vorgegebenen (pseudo-)stochastischen Überlagerungs-Signals in dem detektierten Prozesslicht kann z.B. durch eine Kreuzkorrelation erfolgen. Das Überlagerungs-Signal, in der Regel die konkret vorgebebene Pseudozufallszahlenfolge bzw. das Zufallsbitmuster, ist bekannt und kann für die Kreuzkorrelation verwendet werden. Auch ein rein stochastisches Überlagerungs-Signal (Rauschsignal), das von einem Rauschgenerator erzeugt wird, kann anhand von bestimmten stochastischen Eigenschaften, z.B. anhand der Bandbreite, oder durch einen direkten Vergleich mit dem Rauschsignal in dem Prozesslicht identifiziert werden. Bei einem (pseudo-)stochastischen Überlagerungs-Signal ist im Vergleich zu einem deterministischen Signal die Wahrscheinlichkeit einer fälschlichen Detektion weitaus geringer. Daher wird ein (pseudo- )stochastisches Signal bzw. die Erkennung eines (pseudo-)stochastischen Signals beispielsweise bei Näherungssensoren von Smartphones oder bei Lichtschranken verwendet.
Bei einer Variante wird zum Überlagern des Schneidstrahls mit dem Überlagerungs-Signal der Schneidstrahl, beispielsweise die Leistung des Schneidstrahls oder eine andere Eigenschaft des Schneidstrahls, moduliert. Die Erzeugung des Überlagerungs-Signals ist in diesem Fall besonders einfach, da zu dessen Erzeugung die Parameter einer Strahlquelle, typischerweise einer Laserquelle, die zur Erzeugung des Schneidstrahls ausgebildet ist, geeignet angepasst werden können. Dies ist in der Regel ohnehin möglich, um den Schneidprozess zu regeln bzw. zu beeinflussen. Das Überlagerungs-Signal kann in diesem Fall in einer Modulation der Leistung des Schneidstrahls, z.B. mit einer vorgegebenen Frequenz, bestehen. Gegebenenfalls können alternativ oder zusätzlich zur Leistung des Schneidstrahls auch andere Eigenschaften des Schneidstrahls moduliert werden, beispielsweise die Wellenlänge oder ggf. die Polarisationseigenschaften des Schneidstrahls. In letzterem Fall ist es jedoch typischerweise erforderlich, einen vergleichsweise komplexen Detektor bzw. ein vergleichsweise komplexes Sensorelement für die Detektion des Prozesslichts zu verwenden. Die Modulation der Leistung des Schneidstrahls kann hingegen mit einem einfachen Sensorelement z.B. in Form einer Fotodiode erfasst und bei geeigneter Signalverarbeitung vergleichsweise einfach erkannt werden.
Bei einer weiteren Variante bildet das Überlagerungs-Signal einen Lichtstrahl, der bevorzugt koaxial zum Schneidstrahl auf die erste Seite des Werkstücks ausgerichtet wird. Das Überlagerungs-Signal muss nicht zwangsläufig durch eine Modulation des Schneidstrahls gebildet werden, es ist vielmehr auch möglich, mit Hilfe einer (weiteren) Lichtquelle einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, z.B. einen Pilot-Laserstrahl, zu erzeugen, der in den Strahlengang des Schneidstrahls koaxial eingekoppelt wird und daher an derselben Bearbeitungsposition auf das Werkstück trifft wie der Schneidstrahl. Auch in diesem Fall kann der Lichtstrahl bzw. das Überlagerungs-Signal ein deterministisches Signal mit einer einfach zu identifizierenden Eigenschaft, z.B. mit einer definierten, konstanten Frequenz, oder ein (pseudo-)stochastisches Signal bilden oder der Lichtstrahl kann eine anderweitige Information übertragen. Auf diese Weise kann die Funktion der Erkennung eines Fehlschnitts ohne eine Beeinflussung des Schneidprozesses bzw. des Schneidstrahls durchgeführt werden.
Bei einer weiteren Variante wird das Prozesslicht von einem Detektor mit einem nicht ortsauflösenden Sensorelement, insbesondere mit einer Fotodiode, erfasst. Es hat sich für die Erkennung eines Fehlschnitts als ausreichend erwiesen, wenn bei der Erkennung des Prozesslichts die Leistung des Prozesslichts in nicht ortsaufgelöster Weise erfasst wird. Die Verwendung eines Sensorelements z.B. in Form einer Fotodiode hat sich für diesen Zweck als günstig erwiesen, da diese auch unter rauen Prozessbedingungen, z.B. bei der Anordnung des Sensorelements in einem Absaugkasten unterhalb des Werkstücks, zuverlässig arbeitet. Die Anordnung des bzw. der Sensorelement(e) in einer Vorrichtung zum trennenden Bearbeiten bzw. die Ausbildung des Detektors kann jedoch auf viele unterschiedliche Arten erfolgen, von denen einige in der eingangs zitierten EP 2 164 672 B1 beschrieben sind, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die zur Überlagerung des Schneidstrahls mit einem vorgegebenen Überlagerungs-Signal ausgebildet ist, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, den Fehlschnitt zu erkennen, wenn beim Auswerten des Prozesslichts das Fehlen des Überlagerungs-Signals in dem erfassten Prozesslicht detektiert wird. Die Vorrichtung weist die weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile bei der Erkennung des Fehlschnitts auf, d.h. diese ermöglicht eine annähernd instantane sowie sichere Erkennung eines Fehlschnitts. Die Auswertung des Prozesslichts bzw. die Signalverarbeitung in der Auswerteeinrichtung kann auf die weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebene Weise erfolgen.
Die Vorrichtung weist eine Strahlquelle zur Erzeugung des Schneidstrahls auf, bei der es sich beispielsweise um einen Lasergenerator handeln kann. Wie bei derartigen Strahlquellen üblich, können die Strahlparameter, z.B. die Leistung des Schneidstrahls, eingestellt werden. Das Überlagerungs-Signal kann daher erzeugt werden, indem mindestens ein Strahlparameter, beispielsweise die Leistung, des Schneidstrahls in der Strahlquelle auf geeignete Weise moduliert wird. Zu diesem Zweck kann die Strahlquelle mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung in Form einer zu diesem Zweck programmierten Hard- und/oder Software angesteuert werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Lichtquelle zur Erzeugung des Überlagerungs-Signals in Form eines Lichtstrahls sowie eine Überlagerungseinrichtung zur bevorzugt koaxialen Überlagerung des Überlagerungs-Signals mit dem Schneidstrahl auf. In diesem Fall wird das Überlagerungs-Signal von einer eigenen Lichtquelle erzeugt. Mit Hilfe der Überlagerungseinrichtung, z.B. in Form eines teildurchlässigen Spiegels oder dergleichen, kann das Überlagerungs-Signal in den Strahlengang des Schneidstrahls eingekoppelt und hierbei koaxial zum Schneidstrahl ausgerichtet werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann das Überlagerungs-Signal auch in diesem Fall eine geeignete Eigenschaft, beispielsweise eine definierte Frequenz oder eine anderweitige Information enthalten, so dass das Überlagerungs-Signal in dem erfassten Prozesslicht erkannt bzw. detektiert werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum trennenden Bearbeiten eines plattenförmigen Werkstücks mit einem Detektor zur Erfassung von Prozesslicht,
2a-c schematische Darstellungen des zeitlichen Verlaufs des mittels des Detektors erfassten Prozesslichts sowie eines aus dem Prozesslicht gebildeten resultierenden Prozesslichtsignals bei einem Gutschnitt sowie bei einem Fehlschnitt,
3a,b schematische Darstellungen der Intensität eines Schneidstrahls, dem ein Überlagerungs-Signal mit konstanter Frequenz aufmoduliert ist, sowie von detektiertem Prozesslicht, welches die aufmodulierte Frequenz enthält, und
4a,b schematische Darstellungen von Frequenzspektren zur Bildung des resultierenden Prozesslichtsignals aus dem erfassten Prozesslicht.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften, stark vereinfachten Aufbau einer Vorrichtung 1 zum trennenden Bearbeiten eines plattenförmigen Werkstücks 2. Die Vorrichtung 1 weist einen Lasergenerator 3 auf, der einen Schneidstrahl 4 in Form eines Laserstrahls erzeugt. Der Schneidstrahl 4 wird über eine Auskoppeloptik 5 aus dem Lasergenerator 3 ausgekoppelt und über eine schematisch (strichliniert) dargestellte Strahlführungseinrichtung 6 einer Trenneinrichtung 7 in Form eines Bearbeitungskopfs zugeführt. In dem Bearbeitungskopf 7 ist eine Strahlumlenkeinrichtung 8, im gezeigten Beispiel ein Umlenkspiegel, zur Umlenkung des Schneidstrahls 4 in Richtung auf das Werkstück 2 angeordnet. Der von dem Bearbeitungskopf 7 auf eine erste Seite 10a (im Folgenden: Oberseite) des Werkstücks 2 ausgerichtete Schneidstrahl 4 wird mit Hilfe einer Fokussiereinrichtung 9, die im gezeigten Beispiel in Form einer Fokussierlinse ausgebildet ist, auf eine Bearbeitungsstelle B an dem Werkstück 2 geführt.
Wie in 1 ebenfalls zu erkennen ist, ist unterhalb des plattenförmigen Werkstücks 2 ein Sensorelement 12 eines Detektors 11 angeordnet, bei dem es sich im gezeigten Beispiel um eine Fotodiode handelt. Der Detektor 11, genauer gesagt das Sensorelement 12, dient zur Erfassung von Prozesslicht 13, das an einer zweiten Seite 10b (im Folgenden: Unterseite) des Werkstücks 2 austritt. Der Detektor 11 weist einen Lichtleiter zur Führung des erfassten Prozesslichts 13 zu einer Auswerteeinrichtung 14 auf. Die Auswerteeinrichtung 14 steht mit einer Steuerungseinrichtung 15 der Vorrichtung 1 in signaltechnischer Verbindung. Die Steuerungseinrichtung 15 steht mit dem Lasergenerator 3 sowie mit weiteren Komponenten der Vorrichtung 1 in signaltechnischer Verbindung, um diese anzusteuern.
Beim trennenden Bearbeiten des Werkstücks 2 wird zunächst mit dem Schneidstrahl 4 in das Werkstück 2 eingestochen. Beim Einstechen erfolgt keine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 2 und dem Bearbeitungskopf 7 in einer Werkstückebene, welche die XY-Ebene eines in 1 dargestellten XYZ-Koordinatensystems bildet. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des von dem Detektor 11, genauer gesagt von der Fotodiode 12, beim Einstechen erfassten Prozesslichts 13. Wie in 2a zu erkennen ist, ist die Intensität bzw. der Signalpegel des Prozesslichts 13 während des Einstechens nahezu konstant.
Nach dem Einstechen in das Werkstück 2 erfolgt die eigentliche trennende Bearbeitung des Werkstücks 2, bei dem das Werkstück 2 entlang einer Vorschubrichtung bewegt wird, die in 1 durch einen Pfeil angedeutet ist und die im gezeigten Beispiel der Y-Richtung in der Werkstückebene (XY-Ebene) entspricht. Im gezeigten Beispiel wird die Vorschubgeschwindigkeit der Bewegung in Vorschubrichtung Y linear erhöht, um den Energieeintrag in das Werkstück 2 zu verringern und auf diese Weise - zu Testzwecken - einen Fehlschnitt bzw. einen Schnittabriss zu erzeugen.
2a zeigt auch den zeitlichen Verlauf des Prozesslichts 13 bei der Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit nach dem Einstechen. Wie in 2a zu erkennen ist, steigt der Signalpegel Iv des Prozesslichts 13, genauer gesagt eines von der Fotodiode 12 erzeugen, zum Signalpegel Iv des Prozesslichts 13 proportionalen Roh-Prozesslichtsignals (Spannungs-Signal) zunächst kontinuierlich an, während ein Gutschnitt erzeugt wird. Nach einem kurzen Abfall des Signalpegels I_v des Prozesslichts 13 bei einem Vielfachen der Soll-Vorschubgeschwindigkeit kommt es zu einem Zeitpunkt to zu einem Fehlschnitt in Form eines Schnittabrisses. Bei dem Fehlschnitt trennt der Schneidstrahl 4 das Werkstück 2 nicht mehr vollständig durch, so dass der Schneidstrahl 4 nicht mehr an der Rückseite 10b des Werkstücks 2 austritt.
Wie in 2a zu erkennen ist, fällt der Signalpegel Iv des Prozesslichts 13 nach dem Zeitpunkt to, bei dem der Schnittabriss auftritt, nicht unmittelbar auf den Nullpegel bzw. auf einen Schwellwert I_v,s ab, an dem ein Fehlschnitt erkannt wird, vielmehr wird hierfür eine Zeitdauer Δt benötigt, die in der Größenordnung von mindestens ca. 150 ms liegt. Der vergleichsweise langsame Rückgang des Signalpegels I_v des Prozesslichts 13 auf den Nullpegel bzw. auf den Schwellwert I_v,s nach einem Schnittabriss ist eine Folge von nach dem Schnittabriss verbleibender Wärmestrahlung, die beispielsweise von dem Werkstück 2 herabfallenden Schlackepartikeln verursacht werden kann. Die durch die Wärmestrahlung bedingte Verzögerung Δt der Erkennung eines Fehlschnitts lässt sich weder durch eine Filterung des Prozesslichts 13 auf die Wellenlänge des Schneidstrahls 4 noch durch eine komplexe Signalverarbeitung des Prozesslichts 13 wesentlich verbessern.
Zur Minimierung der zeitlichen Verzögerung Δt bei der Erkennung eines Fehlschnitts wird die - ohne die Modulation konstante - Leistung P_L des Schneidstrahls 4 mit einem vorgegebenen, periodischen Überlagerungs-Signal 16 moduliert bzw. überlagert, das eine konstante Frequenz f_M aufweist, wie dies beispielhaft in 3a,b dargestellt ist. Bei dem in 3a,b gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem aus der Modulation resultierenden Überlagerungs-Signal 16 um ein Rechtecksignal mit einer Leistung von 6000 W über eine Zeitdauer von 0,7 ms und mit einer Leistung von 5500 W über eine Zeitdauer von 0,3 ms. Die Frequenz f_M des Überlagerungs-Signals 16 beträgt im gezeigten Beispiel somit 1 kHz, entsprechend einer Periodendauer T von 1 ms. In der in 3a gezeigten Vergrößerung lässt sich der Verlauf des aufmodulierten Überlagerungs-Signals 16 an der Leistung P_L des Schneidstrahls 4 gut erkennen.
3b zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistung P_L des Überlagerungs-Signals 16 sowie den zeitlichen Verlauf des Signalpegels Iv des von der Sensoreinrichtung 12 erfassten Prozesslichts 13 (bzw. des entsprechenden Spannungs-Signals). Bei der in 3b gezeigten Darstellung lässt sich das Überlagerungs-Signal 16 bzw. die aufmodulierte Frequenz f_M im Prozesslicht 13 mit bloßem Auge erkennen. Dies ist allerdings nur deshalb der Fall, weil 3b beim Einstechen in das Werkstück 2 aufgenommen wurde, bei dem keine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 2 und dem Bearbeitungskopf 7 erfolgt. Beim Vorliegen einer Relativbewegung ist die Erkennung des Überlagerungs-Signals 16 bzw. der vorgegebenen Frequenz f_M jedoch nicht mehr ohne weiteres möglich. In diesem Fall ist es in der Regel erforderlich, durch geeignete mathematische Algorithmen bzw. durch eine geeignete Signalverarbeitung des Prozesslichts 13 ein resultierendes Prozesslichtsignal 17 zu bilden, welche die Erkennung der vorgegebenen Frequenz f_M des Überlagerungs-Signals 16 ermöglicht bzw. erleichtert.
4a zeigt ein Frequenzspektrum des gesamten zeitlichen Verlaufs des Prozesslichts 13 von 2a, das vor einer Signalverarbeitung in Form einer (Fast-)Fourier-Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich zunächst differenziert (abgeleitet) wurde. Das in 4a gezeigte resultierende Frequenzspektrum weist deutlich zu erkennende Peaks bei Vielfachen der vorgegebenen Frequenz f_M von 1 kHz auf.
Für die möglichst schnelle Erkennung der vorgegebenen Frequenz f_M und somit des Überlagerungs-Signals 16 in dem Prozesslicht 13 ist es jedoch nicht sinnvoll, das resultierende Prozesslichtsignal 17 über den gesamten zeitlichen Verlauf zu bilden, der in 2a dargestellt ist. Vielmehr wird der zeitliche Verlauf des Prozesslichts 13 in eine Vielzahl von Zeitintervallen Δt_i mit vorgegebener Zeitdauer unterteilt. Zwei aufeinanderfolgende Zeitintervalle Δt_i, Δt_i+1 sind beispielhaft in 2a dargestellt. Jedes der beiden Zeitintervalle Δt_i, Δt_i+1 weist eine Zeitdauer von 20 ms auf, die Zeitdauer kann aber auch kleiner oder größer gewählt werden. Bei dem in 2a gezeigten Beispiel überlappen die beiden aufeinanderfolgenden Zeitintervalle Δt_i, Δt_i+1 um 50%, d.h. es wird alle 10 ms ein Zeitintervall Δt_i gebildet, welches die vergangenen 20 ms umfasst. Eine solche teilweise zeitliche Überlappung ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Jedem der Anzahl i von Zeitintervallen Δt_i wird ein Zeitstempel zugeordnet, um die Zuordnung zum zeitlichen Verlauf des Prozesslichts 13 von 2a zu ermöglichen.
Für die Signalwerte des Prozesslichts 13 bzw. des Roh-Prozesslichtsignals innerhalb jedes der in 2a gezeigten Zeitintervalle Δt_i wird die in Zusammenhang mit 4a beschriebene Signalverarbeitung durchgeführt: Das Roh-Prozesslichtsignal wird zunächst abgeleitet und nachfolgend eine Fast-Fourier-Transformation durchgeführt, um ein Frequenzspektrum für die innerhalb des Zeitintervalls Δt_i liegenden Signalpegel Iv zu erzeugen. Ein Beispiel eines solchen Frequenzspektrums ist in 4b dargestellt. In dem in 4b gezeigten Frequenzspektrum wird von der Auswerteeinrichtung 14 ein Maximalwert I_f,max des Signalpegels (Amplitude) ermittelt, der an bzw. in der Nähe der vorgegebenen Frequenz f_M von 1 kHz liegt. Um den Maximalwert I_f,max der Amplitude des Frequenzspektrums zu bestimmen, wird nicht das gesamte in 4a dargestellte Frequenzspektrum abgesucht, vielmehr wird die Suche nach dem Maxmalwert I_f,max auf ein vergleichsweise kleines Frequenzintervall Δf um die vorgegebene Frequenz f_M begrenzt. Bei dem in 4a gezeigten Beispiel liegt dieses Frequenzintervall Δf im Bereich zwischen 0,96 kHz und 1,04 kHz. Alternativ kann eine Auswertung des Signalpegels (Amplitude) nur an der vorgegebenen Frequenz f_M erfolgen.
Der Maximalwert I_f,max im relevanten Frequenzintervall Δf wird um die vorgegebene Frequenz f_M jeweils mit dem Zeitpunkt verknüpft, zu dem das jeweilige Zeitintervall Δt_i im zeitlichen Verlauf des Prozesslichts 13 von 2a aufgenommen wurde. Der zeitliche Verlauf der Frequenzanteile der vorgegebenen Frequenz f_M bzw. der Maximalwerte I_f,max bilden die Signalpegel I_R eines resultierenden Prozesslichtsignals 17, welches ebenfalls in 2a dargestellt ist.
Wie sich anhand eines Vergleichs des Prozesslichts 13 und des aus der Signalverarbeitung resultierenden Prozesslichtsignals 17 ergibt, kann anhand des resultierenden Prozesssignals 17 ein Fehlschnitt deutlich früher erkannt werden als dies anhand des Prozesslichts 13 bzw. des Roh-Prozesslichtsignals der Fall ist: Der Signalpegel I_R des resultierenden Prozesslichtsignals 17 fällt bereits vor dem Zeitpunkt to des Schnittabrisses deutlich ab und liegt nahezu zeitgleich mit dem Zeitpunkt to des Schnittabrisses fast beim Nullpegel. Die Auswerteeinrichtung 14 erkennt einen Fehlschnitt, wenn das resultierende Prozesslichtsignal 17 einen Schwellwert I_R,S unterschreitet, der geringfügig über dem Nullpegel liegt. Wie weiter oben beschrieben wurde, benötigt das Prozesslicht 13 für den Abfall auf den Nullpegel bzw. auf den Schwellwert I_v,s einen deutlich größeren Zeitraum Δt von ca. 230 ms, so dass anhand des Prozesslichts 13 ein Fehlschnitt erst deutlich später erkannt werden kann als dies bei der Auswertung des resultierenden Prozesslichtsignals 17 möglich ist.
2b,c zeigen wie 2a den zeitlichen Verlauf des Prozesslichts 13 sowie des auf die in Zusammenhang mit 4b beschriebene Weise gebildeten resultierenden Prozesslichtsignals 17 für einen Schneidprozess analog zu 2a, bei dem es zu einem Fehlschnitt aufgrund einer ungeplanten Kollision des Werkstücks 2 mit dem Bearbeitungskopf 7, genauer gesagt mit einer Schneidgasdüse des Bearbeitungskopfs 7, kam. Die Kollision bzw. der Fehlschnitt erfolgte zwischen einem ersten Zeitpunkt to (bei 9,126 s) und einem zweiten Zeitpunkt t₁ (bei 9,150 s). Die Vorschubgeschwindigkeit lag bei ca. 58 m/min und der Fehlschnitt hatte eine Länge von ca. 25 mm. Der in 2b,c gezeigte Fehlschnitt dauerte somit lediglich ca. 24 ms.
Wie in der Detaildarstellung von 2c zu erkennen ist, ist während des Fehlschnitts der Signalpegel Iv des Prozesslichts 13 nicht auf den Nullpegel abgesunken, da die durch die herabfallende Schlacke verursachte Wärmestrahlung in der Regel mehr als ca. 150 ms benötigt, um das Sichtfeld der Fotodiode 12 zu verlassen. Entsprechend ist der Signalpegel Iv des Prozesslichts 13 vor und nach dem Fehlschnitt nicht einige Größenordnungen unterschiedlich, sondern nur leicht erhöht.
Eine zuverlässige und nicht verzögerte Erkennung des Fehlschnitts wird erst durch das resultierende Prozesslichtsignal 17 ermöglicht, das auf der Erkennung der vorgegebenen Frequenz f_M des vorgegebenen Überlagerungs-Signals 16 beruht: Wie in 2c zu erkennen ist, fällt das resultierende Prozesslichtsignal 17 während der Zeitdauer des Fehlschnitts auf den Nullpegel ab und auch der Abfall bzw. der Anstieg des Signalpegels I_R des Prozesslichtsignals 17 vor und nach dem Fehlschnitt ist deutlich größer als beim Signalpegel Iv des Prozesslichts 13.
Bei den oben beschriebenen Beispielen erfolgt die Erkennung des Fehlschnitts anhand einer vorgegebenen Frequenz f_M des deterministischen Überlagerungs-Signals 16. Es versteht sich aber, dass die Erkennung des Fehlschnitts auch anhand anderer Eigenschaften des deterministischen Überlagerungs-Signals 16 erfolgen kann.
Alternativ kann es sich bei dem Überlagerungs-Signal 16 um ein (pseudo)stochastisches Signal handeln, beispielsweise um eine Pseudozufallszahlenfolge, insbesondere um eine Pseudo-Random-Binary Sequence oder um eine Gold-Folge. Die Identifikation des vorgegebenen (pseudo-)stochastischen Überlagerungs-Signals 16 in dem Prozesslichtsignal 17 kann mit Hilfe einer Kreuzkorrelation oder auf andere Weise erfolgen. Auch in diesem Fall kann eine Signalverarbeitung des Prozesslichtsignals 17 erfolgen, um die Identifikation des vorgegebenen Überlagerungs-Signals 16 zu erleichtern. An Stelle eines pseudo-stochastischen Signals kann auch ein stochastisches Signal als vorgegebenes Überlagerungs-Signal 16 verwendet werden, welches von einem Rauschgenerator erzeugt wird.
Bei dem weiter oben beschriebenen Beispiel wurde das Überlagerungs-Signal 16 durch eine Modulation der Leistung P_L des Schneidstrahls 4 erzeugt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, ein Überlagerungs-Signal 16 in Form eines Lichtstrahls zu verwenden, der von einer Lichtquelle 18 erzeugt wird, die im gezeigten Beispiel in den Bearbeitungskopf 7 integriert ist. Bei der Lichtquelle 18 handelt es sich im gezeigten Beispiel um einen Pilotlaser und bei dem Lichtstrahl 16 um einen Laserstrahl. Der Lichtstrahl 16 wird an dem teildurchlässigen Umlenkspiegel 8, der eine Überlagerungseinrichtung bildet, in den Strahlengang des Schneidstrahls 4 eingekoppelt und koaxial zum Schneidstrahl 4 auf die Bearbeitungsposition B an dem Werkstück 2 ausgerichtet. Es versteht sich, dass die Licht- bzw. Laserquelle 18 auch an anderer Stelle in der Vorrichtung 1 angeordnet werden kann.
Auch das Überlagerungs-Signal 16 in Form des Licht- bzw. Laserstrahls kann eine vorgegebene Eigenschaft, beispielsweise eine vorgegebene Modulations-Frequenz f_M, aufweisen, die von der Auswerteeinrichtung 14 erkannt werden kann und anhand von deren Fehlen in dem Prozesslicht 13 auf ein Fehlen des Überlagerungs-Signals 16 geschlossen werden und daher ein Fehlschnitt erkannt werden kann.
Beim Erkennen eines Fehlschnitts durch die Auswerteeinrichtung 14 kann eine Rückmeldung an die Steuerungseinrichtung 15 gegeben werden, welche die Prozessparameter des Schneidprozesses idealerweise so beeinflusst, dass der Fehlschnitt bzw. der Schnittabriss eine möglichst kurze Dauer aufweist. Zu diesem Zweck kann die Steuerungseinrichtung 15 beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit beim schneidenden Bearbeiten des Werkstücks 2 reduzieren oder auf andere Weise in den Schneidprozess eingreifen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2164672 B1 [0004, 0006, 0013, 0019]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks (2), umfassend: Trennendes Bearbeiten des Werkstücks (2) durch Ausrichten eines Schneidstrahls (4) auf eine erste Seite (10a) des Werkstücks (2), Erfassen von beim trennenden Bearbeiten an einer zweiten Seite (10b) des Werkstücks (2) austretenden Prozesslicht (13), sowie Auswerten des erfassten Prozesslichts (13) zum Detektieren des Fehlschnitts, gekennzeichnet durch Überlagern des Schneidstrahls (4) mit einem vorgegebenen Überlagerungs-Signal (16), sowie Erkennen des Fehlschnitts, wenn beim Auswerten des Prozesslichts (13) das Fehlen des vorgegebenen Überlagerungs-Signals (16) in dem erfassten Prozesslicht (13) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Auswerten aus dem erfassten Prozesslicht (13) ein resultierendes Prozesslichtsignal (17) gebildet wird, um das vorgegebene Überlagerungs-Signal (16) in dem erfassten Prozesslicht (13) zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das resultierende Prozesslichtsignal (17) in jeweils vorgegebenen, bevorzugt teilweise überlappenden Zeitintervallen (Δt_i, Δt_i+1) aus dem erfassten Prozesslicht (13) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem beim Bilden des resultierenden Prozesslichtsignals (17) ein Frequenzspektrum des erfassten Prozesslichts (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Fehlschnitt erkannt wird, wenn das resultierende Prozesslichtsignal (17) einen Schwellwert (I_R,S) unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das vorgegebene Überlagerungs-Signal (16) ein deterministisches Signal, insbesondere mit einer vorgegebene Frequenz (f_M), ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das vorgegebene Überlagerungs-Signal (16) ein stochastisches oder pseudo-stochastisches Signal, insbesondere eine Pseudozufallszahlenfolge, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Überlagern des Schneidstrahls (4) mit dem Überlagerungs-Signal (16) der Schneidstrahl (4) moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Überlagerungs-Signal einen Lichtstrahl (16) bildet, der bevorzugt koaxial zum Schneidstrahl (4) auf die erste Seite (10a) des Werkstücks (2) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Prozesslicht (13) von einem Detektor (11) mit einem nicht ortsauflösenden Sensorelement, insbesondere mit einer Fotodiode (12), erfasst wird.
Vorrichtung zum Erkennen eines Fehlschnitts beim trennenden Bearbeiten eines Werkstücks (2), umfassend: eine Trenneinrichtung (7) zum Ausrichten eines Schneidstrahls (4) auf eine erste Seite (10a) eines Werkstücks (2), einen Detektor (11) zur Erfassung von beim trennenden Bearbeiten mit dem Schneidstrahl (4) an einer zweiten Seite (10b) des Werkstücks (2) austretendem Prozesslicht (13), sowie eine Auswerteeinrichtung (14) zur Auswertung des erfassten Prozesslichts (13) zum Erkennen des Fehlschnitts, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Überlagerung des Schneidstrahls (4) mit einem vorgegebenen Überlagerungs-Signal (16) ausgebildet ist, und dass die Auswerteeinrichtung (14) ausgebildet ist, den Fehlschnitt zu erkennen, wenn beim Auswerten des Prozesslichts (13) das Fehlen des vorgegebenen Überlagerungs-Signals (16) in dem erfassten Prozesslicht (13) detektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, welche eine Lichtquelle (18) zur Erzeugung des Überlagerungs-Signals in Form eines Lichtstrahls (16) sowie eine Überlagerungseinrichtung (8) zur bevorzugt koaxialen Überlagerung des Überlagerungs-Signals (16) mit dem Schneidstrahl (4) aufweist.