DE102021110404A1

DE102021110404A1 - Verfahren zur Kollisionsvermeidung, System und Laserschneidvorrichtung

Info

Publication number: DE102021110404A1
Application number: DE102021110404.1A
Authority: DE
Inventors: Björn Luong
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-10-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung bei einem Bearbeitungsvorgang eines Werkstücks (102) mit mindestens einem Laserschneidelement (104), bei dem während des Bearbeitungsvorgangs ein dem mindestens einen Laserschneidelement (104) zugeordneter Gefahrbereich (134) hinsichtlich darin angeordneter Objekte (136) überwacht wird, wobei der Gefahrbereich (134) zu einer dem mindestens einen Laserschneidelement (104) zugewandten Oberseite (114) des Werkstücks (102) beabstandet positioniert ist, der Gefahrbereich (134) zur Detektion von darin angeordneten Objekten (136) mit mindestens einem Laserstrahl (132) abgescannt wird, und bei dem der Bearbeitungsvorgang basierend auf in dem Gefahrbereich (134) detektierten Objekten (136) zur Kollisionsvermeidung mit diesen Objekten (136) gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung bei einem Bearbeitungsvorgang eines Werkstücks mit mindestens einem Laserschneidelement.
Weiter betrifft die Erfindung ein System zur Kollisionsvermeidung für eine Laserschneidvorrichtung, welche mindestens ein Laserschneidelement zur Bearbeitung eines Werkstücks aufweist.
Weiter betrifft die Erfindung eine Laserschneidvorrichtung.
Aus der DE 10 2018 123 363 A1 ist ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung eines Laserbearbeitungskopfes in einem Bearbeitungsraum einer Laserbearbeitungsmaschine bekannt, wobei ein Werkstück in dem Bearbeitungsraum mit mindestens einem optischen Sensor überwacht wird, Bilder des Werkstücks erfasst werden, eine Veränderung in einem Bild des Werkstücks detektiert wird, erkannt wird, ob die Veränderung ein relativ zu dem Werkstück aufstehendes Objekt umfasst, auf Kollision zwischen dem aufstehenden Objekt und dem Laserbearbeitungskopf anhand eines vorgegebenen Schneidplans und/oder der aktuellen Position des Laserbearbeitungskopfes geprüft wird, und die Antriebe zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfes zur Kollisionsvermeidung bei erkannter Kollisionsgefahr angesteuert werden.
Aus der CN 204148724 U und der CN 208575404 U ist jeweils eine Antikollisionsvorrichtung für Laserschneidgeräte basierend auf einer mechanischen Kollisionsdetektion zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Kollisionsvermeidung bereitzustellen, welches bei vereinfachter technischer Realisierbarkeit eine störungsarme Durchführung des Bearbeitungsvorgangs an dem Werkstück mit dem mindestens einen Laserschneidelement ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein eingangs genanntes Verfahren, bei dem während des Bearbeitungsvorgangs ein dem mindestens einen Laserschneidelement zugeordneter Gefahrbereich hinsichtlich darin angeordneter Objekte überwacht wird, wobei der Gefahrbereich zu einer dem mindestens einen Laserschneidelement zugewandten Oberseite des Werkstücks beabstandet positioniert ist, der Gefahrbereich zur Detektion von Objekten in dem Gefahrbereich mit mindestens einem Laserstrahl abgescannt wird, und bei dem der Bearbeitungsvorgang basierend auf in dem Gefahrbereich detektierten Objekten zur Kollisionsvermeidung mit diesen Objekten gesteuert wird.
Der mittels dem mindestens einen Laserschneidelement an dem Werkstück durchgeführte Bearbeitungsvorgang ist oder umfasst insbesondere einen Schneidvorgang an dem Werkstück mittels eines von dem mindestens einen Laserschneidelement bereitgestellten Laserstrahls, insbesondere Prozesslaserstra h ls.
Das in dem Gefahrbereich detektierbare oder detektierte Objekt ist insbesondere ein gekipptes Werkstücksegment, welches insbesondere in Folge des Schneidvorgangs auftreten kann.
Während oder nach einer Durchführung des Schneidvorgangs wird beispielsweise ein von dem verbleibenden Werkstück zumindest teilweise abgetrenntes Werkstücksegment bezüglich der Oberseite des Werkstücks so gekippt, dass das Werkstücksegment über die Oberseite des verbleibenden Werkstücks zu dem mindestens einen Laserschneidelement hin hinausragt. Dieses Werkstücksegment ist dann zumindest abschnittsweise in dem Gefahrbereich angeordnet, sodass die Gefahr besteht, dass dieses gekippte Werkstücksegment bei weiterer Fortsetzung des Schneidvorgangs mit dem mindestens einen Laserschneidelement kollidiert.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Überwachung des Gefahrbereichs laserbasiert, d.h. der Gefahrbereich wird durch Abscannen und/oder Abtasten mit mindestens einem Laserstrahl auf darin befindliche Objekte überwacht. Es lässt sich dadurch eine besonders effektive und störungsarme Überwachung des Gefahrbereichs mit verringertem technischem Aufwand und/oder mit einer verringerten Anzahl an Komponenten realisieren.
Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Lösung eine automatisierte Steuerung und/oder Regelung des Bearbeitungsvorgangs zur Kollisionsvermeidung basierend auf in dem Gefahrbereich detektierten Objekten erfolgen.
Insbesondere weist der mindestens eine Laserstrahl zur Überwachung des Gefahrbereichs eine von einem Prozesslaserstrahl, mittels welchem eine Bearbeitung des Werkstücks durch das mindestens eine Laserschneidelement erfolgt, verschiedene Wellenlänge auf. Die laserbasierte Überwachung erfolgt daher insbesondere auf Grundlage einer vom dem Prozesslaserstrahl verschiedenen Wellenlänge. Es lässt sich dadurch eine störungsarme Überwachung des Gefahrbereichs hinsichtlich eines bei einem Bearbeitungsvorgang des Werkstücks mit dem mindestens einen Laserschneidelement auftretenden Prozessleuchtens erreichen.
Unter dem Gefahrbereich ist insbesondere ein geometrischer und/oder räumlicher Bereich zu verstehen, in welchem eine Kollision zwischen dem mindestens einen Laserschneidelement und einem in dem Gefahrbereich angeordneten Objekt bei Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs möglich ist.
Erfindungsgemäß wird der Gefahrbereich insbesondere dahingehend überwacht, ob in diesem Gefahrbereich ein oder mehrere Objekte angeordnet sind oder nicht.
Der Gefahrbereich ist zur Oberseite des Werkstücks beabstandet angeordnet, wobei insbesondere eine Abstandsrichtung parallel zu einem kürzesten Abstand zwischen der Oberseite des Werkstücks und dem mindestens einen Laserschneidelement orientiert ist.
Insbesondere erstreckt sich der Gefahrbereich parallel oder näherungsweise parallel zur Oberseite des Werkstücks.
Der Bearbeitungsvorgang umfasst insbesondere einen gesamten Bewegungsvorgang, welchen das mindestens eine Laserschneidelement zur Bearbeitung des Werkstücks ausführt. Insbesondere umfasst der Bearbeitungsvorgang eine Bewegung des mindestens einen Laserschneidelements aus einer Ruheposition an eine Startposition, an welcher ein Schneidvorgang des Werkstücks beginnt, eine Bewegung des mindestens einen Laserschneidelements entlang einer Schnittlinie und/oder Schnittkontur, sowie eine Rückkehr des mindestens einen Laserschneidelements in eine Ruheposition vom Ende der Schnittlinie bzw. Schnittkontur.
Das Werkstück ist insbesondere plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet. Beispielsweise ist das Werkstück ein Blechelement und insbesondere Metallblechelement.
Insbesondere erstreckt sich das Werkstück parallel oder näherungsweise parallel zu einer Ebene, parallel zu welcher das mindestens eine Laserschneidelement zur Bearbeitung des Werkstücks bewegbar ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Gefahrbereich zur Detektion von Objekten in dem Gefahrbereich mittels Light Detection and Ranging abgescannt wird. Beispielsweise erfolgt ein Abscannen und/oder Abtasten des Gefahrbereichs durch ein Light Detection and Ranging Verfahren. Es lassen sich dadurch Objekte in dem Gefahrbereich genau und zuverlässig detektieren.
Günstig kann es sein, wenn der Gefahrbereich während des Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich überwacht wird, und/oder wenn der Gefahrbereich während des Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich mittels dem mindestens einen Laserstrahl abgescannt wird. Es ergibt sich dadurch eine störungsarme und sichere Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs an dem Werkstück.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Gefahrbereich ein zweidimensionaler räumlicher Bereich und insbesondere eine Ebene ist oder umfasst. Vorzugsweise sind der zweidimensionale räumliche Bereich und insbesondere die Ebene parallel oder näherungsweise parallel zu der Oberseite des Werkstücks orientiert. Es lässt sich dadurch eine effektive Kollisionsvermeidung bei technisch verringertem Aufwand erreichen.
Beispielsweise wird das mindestens eine Laserbearbeitungselement zur Bearbeitung des Werkstücks und insbesondere zur Durchführung eines Schneidvorgangs parallel oder näherungsweise parallel zu dieser Ebene bewegt.
Es kann vorgesehen sein, dass der Gefahrbereich und/oder die Ebene zwischen der Oberseite des Werkstücks und dem mindestens einen Laserschneidelement positioniert sind. Alternativ hierzu können der Gefahrbereich und/oder die Ebene zumindest abschnittsweise auf gleicher Höhe wie das mindestens eine Laserschneidelement positioniert sein, wobei eine Höhenrichtung insbesondere parallel zu einem kürzesten Abstand zwischen der Oberseite des Werkstücks und dem mindestens einen Laserschneidelement orientiert ist.
Beispielsweise ist der Gefahrbereich mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 10 mm und insbesondere mindestens 0,5 mm und/oder höchstens 5 mm zu der Oberseite des Werkstücks beabstandet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Gefahrbereich einen maximalen geometrischen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements umfasst. Vorzugsweise umfasst der Gefahrbereich einen maximalen geometrischen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements bezüglich eines zweidimensionalen Bereichs und insbesondere bezüglich einer Ebene. Es lässt sich dadurch eine effektive Kollisionsvermeidung bei technisch verringertem Aufwand erreichen.
Unter dem geometrischen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements ist insbesondere ein geometrischer Bewegungsbereich einer Außenkontur des mindestens einen Laserschneidelements zu verstehen.
Beispielsweise wird die Außenkontur durch ein Außengehäuse und/oder eine Außenwand des mindestens einen Laserschneidelements definiert.
Insbesondere wird das mindestens eine Laserschneidelement zur Durchführung eines bestimmten Bearbeitungsvorgangs an dem Werkstück relativ zu dem Werkstück entlang einer vorgegebenen Trajektorie und/oder entlang eines vorgegebenen Bewegungsbereichs bewegt.
Günstig kann es sein, wenn der Gefahrbereich basierend auf einer für einen bestimmten Bearbeitungsvorgangs vorgegebenen Trajektorie des mindestens einen Laserschneidelements gewählt wird, und/oder wenn der Gefahrbereich basierend auf einem für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang vorgegebenen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements gewählt wird. Es wird dadurch insbesondere eine räumliche Ausdehnung des Gefahrbereichs auf einen für die Kollisionsvermeidung wesentlichen Bereich eingeschränkt. Dadurch wird beispielsweise eine Detektionsgenauigkeit verbessert und/oder es werden Fehldetektionen reduziert.
Vorteilhaft kann es sein, wenn bei Detektion mindestens eines Objekts in dem Gefahrbereich der Bearbeitungsvorgang zur Kollisionsvermeidung derart gesteuert wird, dass das mindestens eine Objekt bei Durchführung des Bearbeitungsvorgangs von dem mindestens einen Laserbearbeitungselement umfahren wird. Es lässt sich dadurch ein an dem Werkstück durchgeführter Bearbeitungsvorgang fortsetzen und zugleich eine Kollision zwischen dem mindestens einen Laserbearbeitungselement und dem mindestens einen Objekt vermeiden.
Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn bei Detektion mindestens eines Objekts in dem Gefahrbereich dem mindestens einen Objekt jeweils ein Kollisionsbereich zugeordnet wird, und wenn der Bearbeitungsvorgang zur Kollisionsvermeidung derart gesteuert wird, dass der Kollisionsbereich bei Durchführung des Bearbeitungsvorgangs von dem mindestens einen Laserbearbeitungselement vermieden wird und/oder umfahren wird.
Insbesondere ist der Kollisionsbereich ein Teilbereich des Gefahrbereichs.
Beispielsweise ist der Kollisionsbereich ein zweidimensionaler Bereich und/oder ein Bereich innerhalb einer Ebene.
Insbesondere wird zur Definition des Kollisionsbereichs eine Position und/oder Kontur des Objekts innerhalb des Gefahrbereichs ermittelt.
Vorzugsweise umgibt und/oder umschießt der Kollisionsbereich das detektierte Objekt in dem Gefahrbereich, wobei insbesondere der Kollisionsbereich das detektierte Objekt in dem Gefahrbereich beabstandet umgibt und/oder umschließt.
Der Kollisionsbereich wird insbesondere so gewählt, dass keine Kollision zwischen dem detektierten Objekt und dem mindestens einen Laserbearbeitungselement möglich, sofern sich das mindestens eine Laserbearbeitungselement außerhalb des Kollisionsbereichs bewegt.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass bei Detektion mindestens eines Objekts in dem Gefahrbereich der Bearbeitungsvorgang unterbrochen wird. Insbesondere wird eine Bewegung des mindestens einen Laserschneidelements unterbrochen und/oder gestoppt. Es lässt sich dadurch eine besonders einfache technische Realisierung des Verfahrens zur Kollisionsvermeidung erreichen, da insbesondere nur ein Vorhandensein eines Objekts detektiert und verarbeitet werden muss und nicht notwendigerweise auch eine Position des Objekts.
Insbesondere erfolgt dann nach Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs eine von einem Bediener initiierte Fortsetzung des Bearbeitungsvorgangs, beispielsweise nachdem das sich in dem Gefahrbereich befindliche Objekt beseitigt wurde.
Günstig kann es sein, wenn der Gefahrbereich zur Detektion von Objekten in dem Gefahrbereich mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Laserstrahlen abgescannt wird, welche unterschiedliche Abtastrichtungen und/oder Abtastrichtungsbereiche aufweisen. Dadurch werden insbesondere Objekte in dem Gefahrbereich aus unterschiedlichen Richtungen abgescannt. Es lassen sich dadurch Objekte innerhalb des Gefahrbereichs mit einer erhöhten Zuverlässigkeit und/oder mit einer verringerten Störanfälligkeit detektieren. Weiter kann dadurch beispielsweise eine zwei- oder dreidimensionale Position eines Objekts in dem Gefahrbereich ermittelt werden. Ferner kann dadurch beispielsweise eine zwei- oder dreidimensionale Außenkontur und/oder eine räumliche Ausdehnung des Objekts in dem Gefahrbereich ermittelt werden.
Beispielsweise sind die unterschiedlichen Abtastrichtungen und/oder Abtastrichtungsbereiche gegenläufig und/oder antiparallel orientiert.
Beispielsweise sind Sensorelemente zur Bereitstellung der Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Abtastrichtungen und/oder Abtastrichtungsbereichen an einander gegenüberliegenden Seiten des Gefahrbereichs angeordnet.
Insbesondere ist unter der Abtastrichtung und/oder dem Abtastrichtungsbereich eine Ausbreitungsrichtung und/oder ein Ausbreitungsrichtungsbereich zu verstehen, mit welchem der Laserstrahl zur Detektion von Objekten aus dem jeweiligen Sensorelement ausgekoppelt wird.
Das in dem Gefahrbereich detektierbare oder detektierte Objekt ist insbesondere ein zumindest abschnittsweise von dem verbleibenden Werkstück abgetrenntes Werkstücksegment, welches zumindest abschnittsweise in dem Gefahrbereich angeordnet ist. Insbesondere ragt dieses Werkstücksegment in den Gefahrbereich hinein. Insbesondere ist dieses Werkstücksegment quer zur Oberseite des verbleibenden Werkstücks orientiert und/oder zur Oberseite des verbleibenden Werkstücks gekippt angeordnet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Abtastrichtung und/oder eine Ausbreitungsrichtung des mindestens einen Laserstrahls zur Überwachung des Gefahrbereichs parallel oder näherungsweise parallel zur Oberseite des Werkstücks orientiert ist. Es lassen sich dadurch beispielsweise in einer zur Oberseite des Werkstücks beabstandeten Ebene auf technisch einfache Weise Objekte detektieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere mit einem Bearbeitungsverfahren, insbesondere Laserschneidbearbeitungsverfahren, eines Werkstücks mit mindestens einem Laserschneidelement verwenden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird hierbei insbesondere zur Kollisionsvermeidung zwischen dem mindestens einen Laserschneidelement und einem Werkstücksegment verwendet, welches während und/oder in Folge einer Ausführung des Bearbeitungsverfahrens an dem Werkstück zur Oberweise des Werkstücks gekippt angeordnet wird.
Insbesondere ist unter dem mindestens einen Laserschneidelement ein Laserkopf und/oder Laserbearbeitungskopf der Laserschneidvorrichtung zu verstehen.
Insbesondere ist mittels dem mindestens einen Laserschneidelement ein Schneidvorgang an dem Werkstück mittels einem aus dem Laserschneidelement ausgekoppelten Laserstrahl durchführbar. Beispielsweise ist zur Bereitstellung des Laserstrahls des Laserschneidelements eine Laserquelle vorgesehen, welche dem Laserschneidelement zugeordnet ist und/oder welche in das Laserschneidelement integriert ist.
Eine Wellenlänge des Laserstrahls zur Durchführung eines Schneidvorgangs an dem Werkstücks ist insbesondere so gewählt, dass der Laserstrahl von einem Material des Werkstücks absorbiert wird und/oder dass der Laserstrahl für ein Material des Werkstücks intransparent ist.
Beispielsweise beträgt die Wellenlänge des Laserstrahls zur Durchführung des Schneidvorgangs mindestens 500 nm und/oder höchstens 1200 nm, insbesondere mindestens 1000 nm und/oder höchstens 1100 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 1030 nm oder 1060 nm.
Erfindungsgemäß wird ein eingangs genanntes System zur Kollisionsvermeidung bereitgestellt, umfassend mindestens ein Sensorelement zur Überwachung eines dem mindestens einen Laserschneidelement zugeordneten Gefahrbereichs hinsichtlich darin angeordneter Objekte, wobei der Gefahrbereich zu einer dem mindestens einen Laserschneidelement zugewandten Oberseite des Werkstücks beabstandet positioniert ist und wobei das mindestens eine Sensorelement einen Laserstrahl zur Detektion von Objekten in dem Gefahrbereich durch Abscannen des Gefahrbereichs mittels dem mindestens einen Laserstrahl bereitstellt, und eine Steuereinheit zur Steuerung eines Bearbeitungsvorgangs des Werkstücks basierend auf in dem Gefahrbereich detektierten Objekten zur Kollisionsvermeidung.
Das erfindungsgemäße System weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mit dem erfindungsgemäßen System ausführbar oder das erfindungsgemäße System führt das erfindungsgemäße Verfahren aus.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine Sensorelement ein Light Detection and Ranging Sensorelement ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels der Steuereinheit das mindestens eine Laserschneidelement zur Kollisionsvermeidung steuerbar ist, wobei insbesondere eine Bewegung des mindestens einen Laserschneidelements steuerbar ist, und/oder wobei insbesondere eine Beaufschlagung des Werkstücks mit einem Laserstrahl des mindestens einen Laserschneidelements zur Durchführung eines Schneidvorgangs an dem Werkstück aktivierbar und/oder deaktivierbar ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit des Systems mit einer Steuerungseinrichtung der Laserschneidvorrichtung signalwirksam verbindbar ist oder verbunden ist, oder dass die Steuereinheit des Systems in eine Steuerungseinrichtung der Laserschneidvorrichtung integriert ist.
Erfindungsgemäß wird eine eingangs genannte Laserschneidvorrichtung bereitgestellt, umfassend mindestens ein Laserschneidelement zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes System zur Kollisionsvermeidung.
Die Funktion der Laserschneidvorrichtung ist nicht notwendigerweise auf die Durchführung eines Schneidvorgangs an dem Werkstück beschränkt, sondern kann weitere Möglichkeiten zur Bearbeitung des Werkstücks umfassen. Insbesondere umfasst die Laserschneidvorrichtung neben dem mindestens einen Laserschneidelement weitere Elemente zur Bearbeitung und/oder Verarbeitung des Werkstücks.
Insbesondere ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ oder „näherungsweise“ im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ oder „näherungsweise“ insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf eine Laserschneidvorrichtung, umfassend ein System zur Kollisionsvermeidung, wobei mittels einem Laserschneidelement der Laserschneidvorrichtung ein Bearbeitungsvorgang an einem Werkstück ausgeführt wird; und
2 eine seitliche Schnittansicht des Laserschneidelements und des mittels dem Laserschneidelement bearbeiteten Werkstücks.

Ein Ausführungsbeispiel einer Laserschneidvorrichtung ist in den 1 und 2 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Laserschneidvorrichtung 100 lässt sich ein Bearbeitungsvorgang an einem Werkstück 102 durchführen, welches an der Laserschneidvorrichtung 100 angeordnet ist. Dieser Bearbeitungsvorgang ist oder umfasst insbesondere einen Schneidvorgang an dem Werkstück 102 zur Abtrennung ein oder mehrerer Werkstücksegmente von dem Werkstück 102.
Das mittels der Laserschneidvorrichtung 100 bearbeitbare Werkstück 102 ist insbesondere plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet. Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel erstreckt sich das Werkstück 102 entlang einer zur x-Achse und zur y-Achse parallelen Ebene.
Insbesondere weist das Werkstück 102 eine konstante oder näherungsweise konstante Dicke d0 auf, wobei beispielsweise bei dem gezeigten Beispiel eine Dickenrichtung des Werkstücks 102 in z-Richtung orientiert ist.
Beispielsweise ist das Werkstück 102 ein Blech und insbesondere ein Metallblech.
Das Werkstück 102 lässt sich zur Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs mit der Laserschneidvorrichtung 100 an einer Halteeinrichtung 103 der Laserschneidvorrichtung 100 anordnen (angedeutet in 1).
Die Laserschneidvorrichtung 100 umfasst ein Laserschneidelement 104, welches einen Laserstrahl 106 bereitstellt, der relativ zu dem Werkstück 102 in eine Vorschubrichtung 108 bewegbar ist. Zur Ausführung eines Schneidvorgangs wird das Werkstück 102 mit diesem Laserstrahl 106 beaufschlagt und dieser Laserstrahl 106 wird relativ zu dem Werkstück 102 bewegt.
Unter dem mittels dem Laserschneidelement 104 bereitgestellten Laserstrahl 106 ist insbesondere ein Prozesslaserstrahl und/oder Bearbeitungslaserstrahl zur Durchführung eines Schneidvorgangs an dem Werkstück zu verstehen.
Das Laserschneidelement 104 ist beispielsweise gemeinsam mit dem Laserstrahl 106 relativ zu dem Werkstück 102 bewegbar. Bei dem gezeigten Beispiel bewirkt eine Relativbewegung des Laserschneidelements 104 zu dem Werkstück 102 eine entsprechende Relativbewegung des Laserstrahls 106 zu dem Werkstück 102.
Beispielsweise werden das Laserschneidelement 104 und/oder der Laserstrahl 106 bei einem Schneidvorgang relativ zu dem Werkstück 102 entlang einer Trajektorie 110 bewegt. Dadurch wird das Werkstück 102 entlang dieser Trajektorie 110 mittels dem Laserstrahl 106 derart bearbeitet, dass entlang der Trajektorie 110 eine Trennlinie 112 ausgebildet wird, an welcher ein Material des Werkstücks 102 trennbar ist und/oder getrennt ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Vorschubrichtung 108 und/oder die Trajektorie 110 und/oder die Trennlinie 112 insbesondere jeweils in einer zur x-Achse und zur y-Achse parallelen Ebene.
Das Laserschneidelement 104 ist zu einer Oberseite 114 des Werkstücks 102 beabstandet angeordnet, wobei diese Oberseite 114 dem Laserschneidelement 104 zugewandt ist. Ein Abstand d1 zwischen der Oberseite 114 und dem Laserschneidelement 104 beträgt insbesondere zwischen 0,1 mm und 10 mm. Beispielsweise ist eine Abstandsrichtung des Abstands d1 parallel zu einer Dickenrichtung des Werkstücks 102 und/oder parallel zu einer Haupt-Propagationsrichtung 115 des aus dem Laserschneidelement 104 ausgekoppelten Laserstrahls 106 orientiert.
Während eines Schneidvorgangs wird das Laserschneidelement 104 parallel oder näherungsweise parallel zur Oberseite 114 des Werkstücks 102 bewegt. Insbesondere wird der Abstand d1 zwischen dem Laserschneidelement 104 und dem Werkstück 102 während eines Schneidvorgangs zumindest näherungsweise konstant gehalten.
Bei dem gezeigten Beispiel ist das Laserschneidelement 104 an einem zu dem Werkstück 102 relativ bewegbaren Brückenelement 116 gehalten, welches beispielsweise an einem Rahmen der Laserschneidvorrichtung 100 angeordnet und/oder gelagert ist. Das Laserschneidelement 104 ist relativ zu dem Brückenelement 116 bewegbar.
Insbesondere ist das Laserschneidelement 104 an einem zu der Oberseite 114 des Werkstücks 104 beabstandeten Abschnitt 118 des Brückenelements 116 bewegbar angeordnet, wobei eine Abstandsrichtung beispielsweise parallel zur Haupt-Propagationsrichtung 115 des Laserstrahls 106 und/oder parallel zur Dickenrichtung des Werkstücks 102 orientiert ist.
Durch Bewegung des Brückenelements 116 ergibt sich bei dem gezeigten Beispiel eine Relativbewegung des Laserschneidelements 104 und/oder des Laserstrahls 106 zu dem Werkstück 102 parallel zur x-Richtung und durch Bewegung des Laserschneidelements 104 relativ zu dem Brückenelement 116 ergibt sich bei dem gezeigten Beispiel eine Relativbewegung des Laserschneidelements 104 und/oder des Laserstrahls 106 zu dem Werkstück 102 parallel zur y-Richtung (angedeutet durch Pfeile in 1).
Während oder nach einer Durchführung eines Schneidvorgangs an dem Werkstück 102 kann es vorkommen, dass von dem Werkstück 102 abgetrennte oder teilweise abgetrennte Werkstücksegmente (unbeabsichtigt) eine gegenüber dem verbleibenden Werkstück 102 gekippte Position einnehmen. Ein gegenüber dem verbleibenden Werkstück 102 gekipptes Werkstücksegment 120 ist beispielsweise in 2 gezeigt.
Das gekippte Werkstücksegment 120 ragt insbesondere zu dem Laserschneidelement 104 hin über die Oberseite 114 des verbleibenden Werkstücks 102 hinaus.
Wie in dem Beispiel gemäß 2 gezeigt kann ein Abschnitt 122 des gekippten Werkstücksegments 120 derart angeordnet sein, dass eine Kollision des Laserschneidelements 104 mit diesem Abschnitt 122 des Werkstücksegments 120 droht. Bei entsprechender Bewegung und/oder Positionierung des Laserschneidelements 104 kann es beispielsweise zu einer Kollision zwischen einer Außenkontur 124 und/oder einem Außengehäuse des Laserschneidelements 104 und dem Abschnitt 122 des Werkstücksegments 120 kommen.
Insbesondere ist der Abschnitt 122 innerhalb eines Bewegungsbereichs des Laserschneidelements 104 angeordnet, d.h. innerhalb eines geometrischen Bereichs, in welchen eine Bewegung und/oder Positionierung der Außenkontur 124 des Laserschneidelements 104 bei Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs möglich ist.
Die Laserschneidvorrichtung 100 umfasst eine Steuerungseinrichtung 126 zur Steuerung eines mit der Laserschneidvorrichtung 100 durchgeführten Bearbeitungsvorgangs und/oder Schneidvorgangs.
Mittels der Steuerungseinrichtung 126 ist eine Bewegung des Laserschneidelements 104 während eines Bearbeitungsvorgangs steuerbar, wobei insbesondere eine Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des Laserschneidelements 104 steuerbar sind.
Weiter ist mittels der Steuerungseinrichtung 126 insbesondere eine Beaufschlagung des Werkstücks 102 mit dem Laserstrahl 106 aktivierbar und/oder deaktivierbar. Beispielsweise ist mittels der Steuerungseinrichtung 126 eine Aktivierung und/oder Deaktivierung des Laserstrahls 106 möglich.
Zur Kollisionsvermeidung zwischen einem verkippten Werkstücksegment 120 und dem Laserschneidelement 104 ist ein System 128 vorgesehen. Dieses System 128 umfasst eine Steuereinheit 129, welche mit der Steuerungseinrichtung 126 signalwirksam verbunden ist und/oder in die Steuerungseinrichtung 126 integriert ist.
Insbesondere ist mittels der Steuereinheit 129 über die Steuerungseinrichtung 126 die genannte Bewegung des Laserschneidelements 104 zur Kollisionsvermeidung steuerbar und/oder es ist mittels der Steuereinheit 129 die genannte Beaufschlagung des Werkstücks 102 mit dem Laserstrahl 106 steuerbar.
Das System 128 umfasst ein oder mehrere Sensorelemente 130, welche signalwirksam mit der Steuereinheit 129 verbunden sind. Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Beispiel sind zwei Sensorelemente 130 vorgesehen.
Die Funktionsweise der Sensorelemente 130 basiert insbesondere auf dem Prinzip der Laserabtastung und/oder dem Laserscanning. Insbesondere basiert die Funktionsweise der Sensorelemente 130 auf der Light Detection and Ranging Methode.
Zur Detektion von Objekten senden die Sensorelemente 130 jeweils einen Laserstrahl 132 aus. Wenn dieser Laserstrahl 132 auf ein detektierbares Objekt trifft, wird er an diesem Objekt zu dem jeweiligen Sensorelement 130 zurückgestreut und/oder zurückreflektiert. Es lässt sich dadurch ein Vorhandensein eines Objekts und insbesondere eine Positionierung eines Objekts innerhalb eines bestimmten Bereichs detektieren.
Der Laserstrahl 132 ist insbesondere ein mittels dem Sensorelement 130 bereitgestellter und/oder ausgesandter Messlaserstrahl.
Bei dem System 128 ist es vorgesehen, dass mittels den Sensorelementen 130 ein dem Laserschneidelement 104 räumlich zugeordneter Gefahrbereich 134 überwacht wird. Mittels den Sensorelementen 130 wird insbesondere ein Vorhandensein und/oder eine Positionierung ein oder mehrerer Objekte 136 innerhalb des Gefahrbereichs 134 detektiert.
Das mittels den Sensorelementen 130 innerhalb des Gefahrbereichs 134 detektierbare Objekt 136 ist insbesondere ein in Folge eines Schneidvorgangs gekipptes Werkstücksegment 120.
Der überwachte Gefahrbereich 134 ist ein geometrischer Bereich oder Teilbereich, innerhalb welchem eine Bewegung des Laserschneidelements 104 bei Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs erfolgen kann.
Es kann vorgesehen sein, dass der überwachte Gefahrbereich 134 auf Basis eines vordefinierten Bewegungsbereichs, innerhalb welchem das Laserschneidelement 104 zur Ausführung eines bestimmten Bearbeitungsvorgangs bewegt wird, eingeschränkt wird und/oder gewählt wird. Der überwachte Gefahrbereich 134 umfasst in diesem Fall insbesondere zumindest den vordefinierten Bewegungsbereich, innerhalb welchem das Laserelement 104 bei diesem bestimmten Bearbeitungsvorgang bewegt wird.
Der überwachte Gefahrbereich 134 deckt nicht notwendigerweise alle drei Raumdimensionen ab. Insbesondere ist der überwachte Gefahrbereich 134 ein zweidimensionaler Bereich und/oder eine Ebene (angedeutet durch die gestrichelte Linie in 2). Innerhalb dieses zweidimensionalen Bereichs und/oder innerhalb dieser Ebene findet eine Bewegung des Laserschneidelements 104 bei Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs statt.
Der überwachte Gefahrbereich 134 ist zu der Oberseite 114 des Werkstücks 102 mit einem Abstand d2 beabstandet positioniert, wobei eine Abstandsrichtung insbesondere parallel zur Dickenrichtung des Werkstücks 102 und/oder parallel zur Haupt-Propagationsrichtung 115 orientiert ist.
Insbesondere ist der Abstand d2 so gewählt, dass das Laserschneidelement 104 bezüglich der genannten Abstandsrichtung zumindest abschnittsweise auf gleicher Höhe angeordnet ist wie der Gefahrbereich 134.
Beispielsweise beträgt der Abstand d2 mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 10 mm.
Voneinander verschiedene Sensorelemente 130 sind beispielsweise an unterschiedlichen und/oder einander gegenüberliegenden Seiten 138a und 138b des zu überwachenden Gefahrbereichs 134 angeordnet.
Jedem Sensorelement ist eine bestimmte Abtastrichtung 140 und/oder ein bestimmter Abtastrichtungsbereich zugeordnet, aus welcher/in welchem der Gefahrbereich 134 abgescannt wird (angedeutet in 1).
Die Sensorelemente 130 sind insbesondere so angeordnet, dass diese den Gefahrbereich 134 aus unterschiedlichen Abtastrichtungen 140 und/oder Abtastrichtungsbereichen abscannen. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit einer Detektion von Objekten 136 in dem Gefahrbereich 134 verbessern. Weiterhin lässt sich dadurch insbesondere eine jeweilige Position des Objekts 136 bzw. des Werkstücksegments 120 innerhalb des Gefahrbereichs ermitteln.
Der jeweilige Laserstrahl 132 der Sensorelemente 130 ist insbesondere parallel oder näherungsweise parallel zur Oberweite 114 des Werkstücks 102 orientiert. Es lässt sich dadurch beispielsweise ein als Ebene ausgebildeter überwachter Gefahrbereich 134 abscannen und/oder überwachen.
Zur Bestimmung der Position des Objekts 136 bzw. des Werkstücksegments 120 werden beispielsweise die von den Sensorelementen 130 bereitgestellten Signale an die Steuereinheit 129 übermittelt und von der Steuereinheit 129 ausgewertet.
Es kann vorgesehen sein, dass auf Grundlage der detektierten Position des gekippten Werkstücksegments 120 mittels der Steuereinheit 129 ein Kollisionsbereich 142 definiert wird, innerhalb welchem das gekippte Werkstücksegment 120 in dem Gefahrbereich 134 angeordnet ist. Insbesondere ist der Kollisionsbereich 142 ein Teilbereich des überwachten Gefahrbereichs 134.
Insbesondere umgibt und/oder umschließt der Kollisionsbereich das Werkstücksegment 120 in dem Gefahrbereich 134.
Dann kann es vorgesehen sein, dass bei Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs eine Bewegung des Laserschneidelements 104 mittels der Steuereinheit 129 so gesteuert wird, dass dieser Kollisionsbereich 142 vermieden wird und/oder umfahren wird. Insbesondere wird die Trajektorie 110 des Laserschneidelements 104 bei einem Bearbeitungsvorgang so angepasst, dass der Kollisionsbereich 142 vermieden und/oder umfahren wird.
Es kann vorgesehen sein, dass den Sensorelementen 130 jeweils ein Referenzelement 144 zugeordnet ist, auf welches der jeweilige Laserstrahl 132 trifft, wenn er auf kein Objekt 136 innerhalb des überwachten Gefahrbereichs 134 trifft. Beispielsweise ist das Referenzelement 144 in einem Randbereich 146 des überwachten Gefahrbereichs 134 angeordnet.
Mittels dem Referenzelement 144 lässt sich ein Referenzsignal generieren, sofern der Laserstrahl 132 auf kein Objekt 136 in dem Gefahrbereich 134 trifft. Ferner lässt sich mittels dem Referenzelement 144 ein Austreten des Laserstrahl 132 über Begrenzungen der Laserschneidvorrichtung 100 und/oder des Systems 128 verhindern.
Die Laserschneidvorrichtung 100 funktioniert wie folgt:

Zur Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs mittels der Laserschneidvorrichtung 100 wird das Werkstück 102 an der Halteeinrichtung 103 angeordnet. Weiter wird die Steuerungseinrichtung 126 zur Durchführung eines bestimmten Schneidvorgangs an dem Werkstück 102 eingerichtet.

Während der Durchführung des Bearbeitungs- und Schneidvorgangs an dem Werkstück 102 wird der Gefahrbereich 134 mittels dem System 128 zur Kollisionsvermeidung überwacht. Insbesondere wird der Gefahrbereich 134 während des Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich überwacht und/oder abgescannt.
Falls sich in Folge eines Schneidvorgangs ein Werkstücksegment 120 gegenüber dem restlichen Werkstück 102 verkippt und in den Gefahrbereich 134 eindringt, wird dieses Werkstücksegment 120 mittels den Sensorelementen 130 und der Steuereinheit 129 detektiert.
In Folge des in dem Gefahrbereich 134 detektierten Werkstücksegments 120 kann es vorgesehen sein, dass der Bearbeitungsvorgang und/oder Schneidvorgang mittels der Steuereinheit 129 unterbrochen wird. Beispielsweise werden eine Bewegung des Laserschneidelements 104 gestoppt und/oder eine Beaufschlagung des Werkstücks 102 deaktiviert.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass mittels der Sensorelemente 130 und der Steuereinheit 129 eine Position des Werkstücksegments 120 innerhalb des überwachten Gefahrbereichs 134 ermittelt wird und das Werkstücksegment durch Steuerung der Bewegung des Laserschneidelements 104 umfahren wird. Insbesondere wird hierzu mittels der Steuereinheit 129 der dem Werkstücksegment 120 zugeordnete Kollisionsbereich 142 definiert und dieser Kollisionsbereich 142 durch Steuerung der Bewegung des Laserschneidelements 104 umfahren.
Bezugszeichenliste

d0: Dicke
d1: Abstand
d2: Abstand
100: Laserschneidvorrichtung
102: Werkstück
103: Halteeinrichtung
104: Laserschneidelement
106: Laserstrahl
108: Vorschubrichtung
110: Trajektorie
112: Trennlinie
114: Oberseite
115: Haupt-Propagationsrichtung
116: Brückenelement
118: Abschnitt
120: Werkstücksegment
122: Abschnitt
124: Außenkontur
126: Steuerungseinrichtung
128: System zur Kollisionsvermeidung
129: Steuereinheit
130: Sensorelement
132: Laserstrahl
134: Gefahrbereich
136: Objekt
138a: Seite
138b: Seite
140: Abtastrichtung / Abtastrichtungsbereich
142: Kollisionsbereich
144: Referenzelement
146: Randbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018123363 A1 [0004]
CN 204148724 U [0005]
CN 208575404 U [0005]

Claims

Verfahren zur Kollisionsvermeidung bei einem Bearbeitungsvorgang eines Werkstücks (102) mit mindestens einem Laserschneidelement (104), bei dem während des Bearbeitungsvorgangs ein dem mindestens einen Laserschneidelement (104) zugeordneter Gefahrbereich (134) hinsichtlich darin angeordneter Objekte (136) überwacht wird, wobei der Gefahrbereich (134) zu einer dem mindestens einen Laserschneidelement (104) zugewandten Oberseite (114) des Werkstücks (102) beabstandet positioniert ist, der Gefahrbereich (134) zur Detektion von darin angeordneten Objekten (136) mit mindestens einem Laserstrahl (132) abgescannt wird, und bei dem der Bearbeitungsvorgang basierend auf in dem Gefahrbereich (134) detektierten Objekten (136) zur Kollisionsvermeidung mit diesen Objekten (136) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) zur Detektion von Objekten (136) in dem Gefahrbereich (134) mittels Light Detection and Ranging abgescannt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) während des Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich überwacht wird, und/oder dass der Gefahrbereich (134) während des Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich mittels dem mindestens einen Laserstrahl (132) abgescannt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) ein zweidimensionaler räumlicher Bereich und insbesondere eine Ebene ist oder umfasst, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der zweidimensionale räumliche Bereich und insbesondere die Ebene parallel oder näherungsweise parallel zu der Oberseite (114) des Werkstücks (102) orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) mindestens 0,1 mm und/oder höchstens 10 mm zu der Oberseite (114) des Werkstücks (102) beabstandet ist, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) mindestens 0,5 mm und/oder höchstens 5 mm zu der Oberseite (114) des Werkstücks (102) beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) einen maximalen geometrischen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements (104) umfasst, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) einen maximalen geometrischen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements (104) bezüglich eines zweidimensionalen Bereichs und insbesondere bezüglich einer Ebene umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) basierend auf einer für einen bestimmten Bearbeitungsvorgangs vorgegebenen Trajektorie (110) des mindestens einen Laserschneidelements (104) gewählt wird, und/oder dass der Gefahrbereich (134) basierend auf einem für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang vorgegebenen Bewegungsbereich des mindestens einen Laserschneidelements (104) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion mindestens eines Objekts (136) in dem Gefahrbereich (134) der Bearbeitungsvorgang zur Kollisionsvermeidung derart gesteuert wird, dass das mindestens eine Objekt (136) bei Durchführung des Bearbeitungsvorgangs von dem mindestens einen Laserbearbeitungselement (104) umfahren wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion mindestens eines Objekt (136) in dem Gefahrbereich (134) dem mindestens einen Objekt (136) jeweils ein Kollisionsbereich (142) zugeordnet wird, und dass der Bearbeitungsvorgang zur Kollisionsvermeidung derart gesteuert wird, dass der Kollisionsbereich (142) bei Durchführung des Bearbeitungsvorgangs von dem mindestens einen Laserbearbeitungselement (104) vermieden wird und/oder umfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion mindestens eines Objekts (136) in dem Gefahrbereich (134) der Bearbeitungsvorgang unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefahrbereich (134) zur Detektion von Objekten (136) in dem Gefahrbereich (134) mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Laserstrahlen (132) abgescannt wird, welche unterschiedliche Abtastrichtungen und/oder Abtastrichtungsbereiche (140) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastrichtung (140) und/oder Ausbreitungsrichtung des mindestens einen Laserstrahls (132) zur Überwachung des Gefahrbereichs (134) parallel oder näherungsweise parallel zur Oberseite (114) des Werkstücks (102) orientiert ist.
System zur Kollisionsvermeidung für eine Laserschneidvorrichtung (100), welche mindestens ein Laserschneidelement (104) zur Bearbeitung eines Werkstücks (102) aufweist, umfassend mindestens ein Sensorelement (130) zur Überwachung eines dem mindestens einen Laserschneidelement (104) zugeordneten Gefahrbereichs (134) hinsichtlich darin angeordneter Objekte (136), wobei der Gefahrbereich (134) zu einer dem mindestens einen Laserschneidelement (104) zugewandten Oberseite (114) des Werkstücks (102) beabstandet positioniert ist und wobei das mindestens eine Sensorelement (130) mindestens einen Laserstrahl (132) zur Detektion von Objekten (136) in dem Gefahrbereich (134) durch Abscannen des Gefahrbereichs (134) mittels dem mindestens einen Laserstrahl (132) bereitstellt, und eine Steuereinheit (129) zur Steuerung eines Bearbeitungsvorgangs des Werkstücks (102) basierend auf in dem Gefahrbereich (134) detektierten Objekten (136) zur Kollisionsvermeidung.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (130) ein Light Detection and Ranging Sensorelement ist.
Laserschneidvorrichtung, umfassend mindestens ein Laserschneidelement (104) zur Bearbeitung eines Werkstücks (102) und ein System (128) zur Kollisionsvermeidung gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14.