DE102021123783A1

DE102021123783A1 - Verfahren zum Überprüfen eines Laserbearbeitungsvorgangs und zugehörige Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102021123783A1
Application number: DE102021123783.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Petera; Tobias Kaiser; Christoph Kraus
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023041419A3; WO2023041419A2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Bearbeiten metallischer Werkstücke (2) mittels eines Laserstrahls (3) einer Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Laserstrahlleistung von mindestens 10 kW, wobei die Laserbearbeitung von einer Maschinensteuerung (10) mittels mindestens eines Laserbearbeitungsparameters gesteuert wird, dessen Parameterwert manuell eingebbar ist, wird erfindungsgemäß ein für den mindestens einen Laserbearbeitungsparameter manuell eingegebener Eingabewert von der Maschinensteuerung (10) dahingehend überprüft, ob bei einer Laserbearbeitung mit diesem Eingabewert eine Beschädigung der Laserbearbeitungsmaschine (1) durch den Laserstrahl (3) zu erwarten ist. Für den Fall keiner zu erwartenden Beschädigung wird der Eingabewert als neuer Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters von der Maschinensteuerung (10) übernommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Schneiden, metallischer, insbesondere plattenförmiger Werkstücke mittels eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserstrahlleistung von mindestens 10 kW, wobei die Laserbearbeitung von einer Maschinensteuerung mittels mindestens eines Laserbearbeitungsparameters gesteuert wird, dessen Parameterwert manuell eingebbar ist, sowie auch eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine.
Derartige Verfahren zum Laserbearbeiten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Mit steigender Laserleistung nimmt auch die Gefahr zu, dass Maschinenteile der Laserbearbeitungsmaschine unbeabsichtigt zerstört werden. Darauf kann der Maschinenbediener durch eine (un-)geeignete Wahl der Schneidparameter maßgeblichen Einfluss nehmen. An der Benutzeroberfläche der Laserbearbeitungsanlage kann der Bediener Bearbeitungsparameter in Lasertechnologietabellen ändern. So ist denkbar, dass aus Unwissenheit oder versehentlich beispielsweise die Schneidgeschwindigkeit so klein gewählt wird, dass große Teile der Laserstrahlung ungenutzt durch das zu bearbeitende Werkstück hindurchstrahlen und zum Aufschmelzen des Maschinenunterbaus führen. Oder die Kombination aus Laserstrahl (Durchmesser, Fokuslage) und Düsendurchmesser kann zu einer Kollision und damit einem Aufschmelzen der Schneiddüse führen. Insbesondere bei hohen Laserleistungen > 10 kW können so schnell kritische Zustände erreicht werden, die im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Maschine und deren Strahlenschutz-Umhausung führen.
US 2004/0019403 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Kompatibilität von Eingabeparametern zur Verwendung mit einem Laserbohrsystem. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung von Kompatibilitätsdaten, die für eine Vielzahl von Laserbohrvorgängen charakteristisch sind und den Vergleich der Eingabeparameter für einen Laserbohrvorgang mit den Kompatibilitätsdaten, wodurch bestimmt wird, ob die Eingabeparameter inkompatibel sind.
US 2020/0246920 A1 betrifft eine Laserschneidvorrichtung mit einer Steuereinheit, in deren Speicher eine Vielzahl von Bearbeitungstabellen gespeichert sind. Jede der Bearbeitungstabellen enthält Daten zur Bearbeitung eines Werkstücks, wie z.B. die Laserausgangsleistung und die Schneidgeschwindigkeit. Die Steuereinheit wählt eine Bearbeitungstabelle derart aus, dass gegebene Bedingungen zur Bearbeitung des Werkstoffs erfüllt sind, und steuert das Schneiden des Werkstoffs auf der Grundlage der ausgewählten Bearbeitungstabelle.
WO 2019/145513 A2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Bearbeitungsparametern für die Bearbeitung eines Materials unter Verwendung eines Laserbearbeitungssystems. Das Verfahren umfasst das Ausstatten einer Zentraleinheit mit einer Bearbeitungslernfunktion, die auf der Grundlage einer Vielzahl von zuvor verwendeten Bearbeitungsdaten die Auswahl geeigneter Bearbeitungsparameter erlernt. Die Bearbeitungslernfunktion versetzt das Laserbearbeitungssystem in die Lage, das zu bearbeitende Material entsprechend einem gewünschten Bearbeitungsergebnis zu bearbeiten.
Aus EP 2 037 341 A2 ist ein Programmiersystem zum Erstellen von Bearbeitungsprogrammen für Werkzeugmaschinen auf der Basis von Datensätzen bekannt. Eine Konventionsprüfeinheit prüft den Datensatz darauf, ob eine durch den Datensatz vorgegebene Kontur eines Werkstoffs mit dem für die Herstellung der Kontur vorgesehenen Werkzeug erzeugbar ist. Bei erfolgreicher Prüfung erfolgt eine Übergabe des Datensatzes in einen Programmspeicher des Programmiersystems.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem Laserbearbeitungsverfahren und einer Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art die Gefahr zu reduzieren, dass Maschinenteile der Laserbearbeitungsmaschine durch die Laserleistung unbeabsichtigt zerstört werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass ein für mindestens einen Laserbearbeitungsparameter manuell eingegebener Eingabewert von der Maschinensteuerung dahingehend überprüft wird, ob bei einer Laserbearbeitung mit diesem Eingabewert eine Beschädigung der Laserbearbeitungsmaschine durch den Laserstrahl zu erwarten ist, und dass für den Fall keiner zu erwartenden Beschädigung der Eingabewert als neuer Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters von der Maschinensteuerung übernommen wird. Für den Fall einer zu erwartenden Beschädigung kann der Eingabewert beispielsweise von der Maschinensteuerung nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen oder von der Maschinensteuerung auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert werden. Auch kann der Eingabewert von der Maschinensteuerung unverändert als neuer Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters übernommen und der Parameterwert mindestens eines anderen Laserbearbeitungsparameters von der Maschinensteuerung dahingehend geändert werden, dass sowohl der Eingabewert des einen Laserbearbeitungsparameters als auch der geänderte Parameterwert des anderen Laserbearbeitungsparameters beschädigungsunkritisch sind.
Erfindungsgemäß werden Bedienereingaben von der Maschinensteuerung geprüft und z.B. bei Über-/Unterschreitung von Grenzwerten die Eingabewerte als unzulässig vermerkt werden bzw. maschinenseitig entsprechende Anpassungen vorgenommen, damit keine kritischen Zustände entstehen. Eine maschinenseitige Anpassung kann beispielsweise die Anpassung der Geschwindigkeit eines Schrott-Förderbands sein. Über mehrere Grenzwerte bzw. für einzelne, eventuell weniger kritische, Laserbearbeitungsparameter kann auch lediglich eine Warnmeldung ausgegeben werden. Bevorzugt sollen alle Bearbeitungsparameter, die vom Maschinenbediener geändert werden können und bei Änderung Einfluss auf die Langlebigkeit der Maschine nehmen, mit mindestens einem Grenzwert auf der Maschinensteuerung versehen werden. Dieser Grenzwert kann sowohl ein absoluter Wert sein, als auch eine prozentuale Änderung des vorgegebenen Standard-Parameters. Der Grenzwert kann aber auch über die Kombination von mindestens zwei Parameter berechnet werden.
Eingegebene Parameterwerte für z.B. Lasertechnologietabellen werden auf Sinnhaftigkeit geprüft, und es wird einem Maschinenbediener eine Hilfestellung beim Editieren der Bearbeitungstechnologien gegeben, so dass Parameterwerteingaben verhindert werden, die zu Schäden an den Maschinenkomponenten einer Laserbearbeitungsmaschine einschließlich des Laserbearbeitungskopfes führen könnten. Bei der Berechnung eines möglichen Auftreffens eines Laserstrahls auf die Düseninnenwandung einer Schneiddüse in einem Laserbearbeitungskopf sind insbesondere Fokuslage, Fokusdurchmesser und Strahlqualität (SPP) des Laserstrahls und/oder die Lage des engsten Düseninnendurchmessers in Strahlrichtung als Laserbearbeitungsparameter zu berücksichtigen. Dadurch kann ein unbeabsichtigter Schaden an der Laserbearbeitungsmaschine durch eine fehlerhafte Eingabe vermieden werden. Auch kann ein unnötiger Energieverbrauch vermieden werden, zum Beispiel, wenn eine Schneidgeschwindigkeit für einen Werkstoff so klein gewählt wird, dass große Teile der Laserstrahlung ungenutzt durch den Werkstoff hindurch strahlen. Dabei kann ein Unterbau der Laserbearbeitungsmaschine aufgeschmolzen werden. Ein falsch gewählter Parameterwert oder eine falsch gewählte Parameterwertekombination zur Einstellung des Laserstrahls, insbesondere in Bezug auf dessen Durchmesser und Fokuslage, und eines Düsendurchmessers einer Bearbeitungsdüse in einem Laserbearbeitungskopf, aus welcher der Laserstrahl austritt, kann zu einem Bestrahlen der Bearbeitungsdüse durch den Laserstrahl und damit zu einem Aufschmelzen der Bearbeitungsdüse führen. Bei hohen Laserleistungen von mehr als 10 kW können schnell kritische Zustände erreicht werden, die zu einer Zerstörung der Laserbearbeitungsmaschine und deren Strahlenschutz-Umhausung führen können.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Laserbearbeitungsparameter um einen oder mehrere der folgenden Laserbearbeitungsparameter: Fokuslage des Laserstrahls, Fokusdurchmesser des Laserstrahls, Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls beim Bearbeiten eines Werkstücks und Mindestgeschwindigkeit des Laserstrahls beim Heranfahren an ein Werkstück.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden in der Maschinensteuerung ein oberer und/oder ein unterer Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters für eine beschädigungsfreie Laserbearbeitung festgelegt. Wenn der Eingabewert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters größer als der obere Grenzwert oder kleiner als der untere Grenzwert ist, wird der Eingabewert von der Maschinensteuerung nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen oder von der Maschinensteuerung auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert. Anhand von Grenzwerten, die den einzelnen Laserbearbeitungsparametern hinterlegt werden, sollen Eingabewerte, die zu Schäden an der Maschine führen können, nicht zugelassen werden. Die Eingaben von Parameterwerten durch einen Bediener auf einer Benutzeroberfläche der Laserbearbeitungsmaschine werden anhand der Grenzwerte geprüft. Die Grenzwerte stellen vorgegebene Werte der Laserbearbeitungsparameter dar, ober- bzw. unterhalb derer die Laserbearbeitungsmaschine bei der Werkstückbearbeitung von der Laserstrahlung beschädigt wird. Die maximale thermische Belastung des Maschinenunterbaus kann für verschiedene Parameterwerte von Laserbearbeitungsparametern in Probeläufen ermittelt werden, um daraus die Grenzwerte für Laserbearbeitungsparameter zu ermitteln. Vorteilhaft werden der obere und/oder der untere Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters als eine absolute oder prozentuale Abweichung von einem Standardwert des Laserbearbeitungsparameters festgelegt.
In einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante werden in der Maschinensteuerung beschädigungskritische Wertekombinationen von mindestens zwei Laserbearbeitungsparametern festgelegt. Die beschädigungskritischen Wertekombinationen stellen insbesondere vorgegebene Kombinationen von Parameterwerten von Laserbearbeitungsparametern dar, bei denen die Laserbearbeitungsmaschine bei der Werkstückbearbeitung von der Laserstrahlung beschädigt wird. Bei den Laserbearbeitungsparametern kann es sich zum Beispiel um den Düsendurchmesser einer Bearbeitungsdüse und die Fokuslage oder um den Fokusdurchmesser und die Fokuslage handeln.
Wenn der Eingabewert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters zusammen mit dem Parameterwert des anderen Laserbearbeitungsparameters eine kritische Wertekombination darstellt, wird der Eingabewert nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen oder von der Maschinensteuerung auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert.
Wird der Eingabewert, weil unzulässig, nicht übernommen, kann er in einem Eingabedisplay als unzulässig visualisiert werden oder gelöscht und insbesondere durch einen zulässigen Parameterwert, der dem unzulässigen Wert am nächsten kommt, ersetzt werden. Wird der Eingabewert mit Warnhinweis visualisiert, erhält ein Bediener die Möglichkeit, den Parameterwert im laufenden Prozess zu korrigieren, insbesondere vor oder während eines Bearbeitungsvorgangs. Eine Warnung kann insbesondere für weniger kritische Laserbearbeitungsparameter ausgegeben werden. Vorzugsweise werden zu große Abweichungen von einer Standardparametrierung angezeigt, um den Bediener auf mögliche, daraus resultierende Bearbeitungsprobleme hinzuweisen. In diesem Fall werden die Eingabewerte der Laserbearbeitungsparameter nicht verboten, sondern lediglich durch Warnungen visualisiert.
Eine Visualisierung unzulässiger Eingabewerte und von Warnungen vor unzulässigen oder kritischen Eingabewerten erfolgt bevorzugt unmittelbar nach der Eingabe in einem Eingabeterminal der Maschinensteuerung, auch als HMI (Human Machine Interface) bezeichnet. Unzulässige Änderungen, das heißt Änderungen, die zu kritischen Zuständen in der Laserbearbeitungsmaschine führen, werden vorzugsweise bereits in dem Eingabeterminal erkannt, angezeigt und besonders bevorzugt nicht zugelassen. Vorzugsweise werden verschiedene Symbole oder Markierungen für unzulässige Eingaben („Fehler“) und für möglicherweise kritische Eingaben („Warnung“) verwendet. Bei Eingabe eines unzulässigen Wertes eines Laserbearbeitungsparameters, z.B. durch Änderung der Fokuslage, der Schneiddüse und/oder der Schneidgeschwindigkeit, kann beispielsweise im jeweiligen Eingabefeld ein Symbol oder eine Markierung erscheinen und bevorzugt bei Fehlern der Eingabewert mit einem ursprünglichen, zulässigen Eintrag wieder überschrieben werden. Alternativ können eine Fehlermeldung und eine Warnung jeweils als Textnachricht „Dieser Eingabewert ist nicht zulässig“ bzw. „Dieser Eingabewert kann zu Fehlschnitten oder Maschinenschäden führen“ ausgegeben werden.
Vorzugsweise wird in der Maschinensteuerung eine Mindestanfahrgeschwindigkeit eines Laserbearbeitungskopfes zum Heranfahren an ein Werkstück in Abhängigkeit einer Laserleistung und/oder eines Fokusdurchmessers des Laserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf als Untergrenze festgelegt. Die beschädigungsunkritische Kombination aus Laserleistung und Fokusdurchmesser wird bevorzugt so gewählt, dass diese Mindestanfahrgeschwindigkeit beim Heranfahren an ein Werkstück nicht unterschritten wird. Für verschiedene Laserleistungen werden verschiedene Mindestanfahrgeschwindigkeiten des Laserbearbeitungskopfes in einer Lasertechnologietabelle der Maschinensteuerung hinterlegt. Die Mindestanfahrgeschwindigkeit beim Anfahren richtet sich nach dem Geschwindigkeitswert in der Lasertechnologietabelle. Wenn ein Bediener der Laserbearbeitungsmaschine einen Geschwindigkeitswert und/oder die Laserleistung und/oder den Fokusdurchmesser ändern will, wird von der Maschinensteuerung geprüft und sichergestellt, dass die Mindestanfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes nicht unterschritten wird und damit in einen Bereich kritischer Geschwindigkeitswerte gelangt. Die Maschinensteuerung überwacht insbesondere eigene, veränderte oder importierte Lasertechnologietabellen und verhindert das Laserbearbeiten unter Verwendung einer Lasertechnologietabelle, wenn die Mindestanfahrgeschwindigkeit unterschritten ist. Alternativ oder zusätzlich kann von der Maschinensteuerung zu einer vorgegebenen Mindestanfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes die Laserleistung angepasst werden. Analog zur Mindestanfahrgeschwindigkeit können auch Mindestbearbeitungsgeschwindigkeiten (bzw. Mindestvorschubgeschwindigkeiten) während der Bearbeitung eines Werkstücks in Abhängigkeit von der Laserleistung und/oder des Fokusdurchmessers festgelegt und ihre Einhaltung überwacht werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten, insbesondere Schneiden, metallischer, insbesondere plattenförmiger Werkstücke mittels eines Laserstrahls mit einer Laserstrahlleistung von mindestens 10 kW, mit einem Laserbearbeitungskopf, aus dem der Laserstrahl in Richtung auf ein Werkstück austritt, mit einer Maschinensteuerung zur Steuerung der Laserbearbeitung mittels Laserbearbeitungsparametern und zur Steuerung der Bewegung von Laserbearbeitungskopf und Werkstück relativ zueinander, und mit einer Eingabeeinrichtung zur manuellen Eingabe von Parameterwerten mindestens eines Laserbearbeitungsparameters in die Maschinensteuerung, wobei die Maschinensteuerung programmiert ist, einen manuell eingegebenen Eingabewert dahingehend zu überprüfen, ob bei einer Laserbearbeitung mit diesem Eingabewert eine Beschädigung der Laserbearbeitungsmaschine durch den Laserstrahl zu erwarten ist, und für den Fall keiner zu erwartenden Beschädigung den Eingabewert als neuen Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters zu übernehmen.
Durch das Überprüfen der Parameterwerte lassen sich bei einer solchen Laserbearbeitungsmaschine Schäden an der Laserbearbeitungsmaschine während des Bearbeitungsvorgangs vermeiden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Laserbearbeitungsparameter um einen oder mehrere der folgenden Laserbearbeitungsparameter: Fokuslage des Laserstrahls, Fokusdurchmesser des Laserstrahls, Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls beim Bearbeiten des Werkstücks, Düsendurchmesser.
Vorzugsweise sind in der Maschinensteuerung ein oberer und/oder ein unterer Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters für eine beschädigungsfreie Laserbearbeitung gespeichert, und zwar besonders vorteilhaft als eine absolute oder prozentuale Abweichung von einem Standardwert des Laserbearbeitungsparameters. Auch beschädigungskritische Wertekombinationen von mindestens zwei Laserbearbeitungsparametern können in der Maschinensteuerung gespeichert sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Merkmale. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine, hier am Beispiel einer Laserschneidmaschine, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken;
2a, 2b einen Längsschnitt einer Schneiddüse eines in 1 gezeigten Laserschneidkopfes, aus der ein Laserstrahl mit einer zu hohen Fokuslage (2a) und einer zu tiefen Fokuslage (2b) austritt;
3a, 3b jeweils eine Eingabemaske einer Eingabeeinrichtung zum manuellen Eingeben von Parameterwerten mehrerer Laserbearbeitungsparameter; und
4 schematisch das Anfahren des Laserschneidkopfes an ein Werkstück mit einer Mindestanfahrgeschwindigkeit.

Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken (z.B. Blechen) 2 mittels eines Laserstrahls 3 mit einer Strahlleistung von mindestens 10 kW und wird daher im Folgenden auch als Laserschneidmaschine bezeichnet.
Die Laserschneidmaschine 1 weist einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, einen Laserschneidkopf 5 und eine Werkstückauflage 6 auf, auf der das Werkstück 2 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 4 wird der Laserstrahl 3 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 4 zum Laserschneidkopf 5 geführt wird. Mittels einer im Laserschneidkopf 5 angeordneten Fokussieroptik wird der Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 gerichtet. Der Laserstrahl 3 tritt in einer z-Richtung aus dem Laserschneidkopf 5 aus und trifft in der z-Richtung auf das Werkstück 2. Der Laserschneidkopf 5 ist oberhalb des Werkstücks 2 in x- und y-Richtung mittels eines Antriebs 7 verfahrbar. Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 8, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Das Schneidgas 8 wird einer Schneiddüse 9 des Laserschneidkopfes 5 zugeführt, aus deren Düsenöffnung es zusammen mit dem Laserstrahl 3 austritt.
Die Laserschneidmaschine 1 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 10 zur Steuerung von Laserschneidparametern des Laserstrahls 3 und zur Steuerung des Antriebs 7, um den Laserschneidkopf 5 samt dem austretenden Laserstrahl 3 entsprechend einer vorgegebenen Schnittkontur 11 relativ zum Werkstück 2 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v zu verfahren. Durch eine Eingabeeinrichtung (z.B. HMI) 12 erfolgt eine manuelle Eingabe von Parameterwerten der Laserschneidparameter in die Maschinensteuerung 10. Die Maschinensteuerung 10 ist programmiert, einen manuell eingegebenen Eingabewert dahingehend zu überprüfen, ob bei einer Laserbearbeitung mit diesem Eingabewert eine Beschädigung der Laserbearbeitungsmaschine 1 durch den Laserstrahl 3 zu erwarten ist oder nicht. Für den Fall keiner zu erwartenden Beschädigung wird der Eingabewert von der Maschinensteuerung 10 als neuer Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters übernommen.
2a zeigt die Schneiddüse 9, aus der der Laserstrahl 3 in Richtung auf das Werkstück 2 austritt. Die Fokuslage z_F des Laserstrahls 3 mit Fokusdurchmesser d_F liegt, gesehen vom Werkstück 2 aus, oberhalb der zulässigen oberen Fokuslage, d.h., der Laserstrahl 3 hat eine zu hohe Fokuslage z_F. Dadurch verläuft der Laserstrahl 3 in der Düsenöffnung 13 in Strahlrichtung derart divergent, dass er am unteren Ende der Düsenöffnung 13 auf die Düseninnenwandung 14 trifft. Der Durchmesser des Laserstrahls 3 am unteren Ende (z_u) der Düsenöffnung 13 ist also größer als der Öffnungsdurchmesser D_k der Düsenöffnung 13.
In 2b liegt die Fokuslage z_f des Laserstrahls 3 mit Fokusdurchmesser df, gesehen vom Werkstück 2 aus, unterhalb der zulässigen unteren Fokuslage, d.h., der Laserstrahl 3 hat eine zu tiefe Fokuslage z_F. Dadurch verläuft der Laserstrahl 3 in der Düsenöffnung 13 in Strahlrichtung derart konvergent, dass er am oberen Ende (z_o) der Düsenöffnung 13 auf die Innenöffnungswandung 14 trifft. Der Durchmesser des Laserstrahls 3 am oberen Ende der Düsenöffnung 13 ist also größer als der Öffnungsdurchmesser D_k der Düsenöffnung 13.
In 2a, 2b trifft bzw. streift der Laserstrahl 3 die Innenöffnungswandung 14, so dass die Schneiddüse 9 durch die thermische Belastung der Laserstrahlung beschädigt wird. In der Maschinensteuerung 10 sind die zulässigen oberen und unteren Fokuslagen als Grenzwerte des Laserschneidparameters „Fokuslage z_F“ für eine beschädigungsfreie Laserbearbeitung festgelegt bzw. wird aus den Parameterwerten Fokuslage, Fokusdurchmesser und Strahlqualität berechnet. Wenn vom Bediener über die Eingabeeinrichtung 12 ein Eingabewert für die Fokuslage z_F größer als der obere Grenzwert oder kleiner als der untere Grenzwert eingegeben wird, wird dieser von der Maschinensteuerung nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen oder auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert.
3a, 3b zeigen jeweils eine Eingabemaske 15 der Eingabeeinrichtung 12, über die die Parameterwerte mehrerer Laserbearbeitungsparameter (hier lediglich beispielhaft: Fokuslage z_F und Fokusdurchmesser d_F) in die Maschinensteuerung 10 manuell eingegeben werden. Über ein erstes Maskenfeld 15a kann ein Eingabewert für die Fokuslage z_F und über ein zweites Maskenfeld 15b ein Eingabewert für den Fokusdurchmesser d_F eingegeben werden.
In dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Eingabewert „-28 mm“ des Fokuslage z_F außerhalb des für den eingestellten Fokusdurchmesser von 840 µm zulässigen Wertebereichs der oberen und unteren Grenzwerte, so dass der Laserstrahl 3 die Innenöffnungswandung 14 der Schneiddüse 9 treffen bzw. streifen würde, was dem Bediener in dem Maskenfeld 15a durch ein symbolhaftes Warnzeichen 16 und eine Warnmeldung „Kollision Strahl-Düse!“ angezeigt wird. Der als unzulässig erkannte Eingabewert „-28 mm“ wird folglich von der Maschinensteuerung 10 nicht übernommen.
In dem in 3b gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Eingabewert „7500 µm“ des Fokuslage z_F jenseits der für alle zulässigen Fokusdurchmesser oberen Grenzwerte und wird daher von der Maschinensteuerung 10 abgelehnt, was dem Bediener durch ein x-Symbol 17 angezeigt wird. Aufgrund der unzulässigen Fokuslage z_F kann die eingestellte Fokuslage z_F von -15 mm nicht überprüft werden, was dem Bediener durch ein Fragezeichensymbol 18 angezeigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann mit dem „Fragezeichen“ auch eine große Abweichung vom Originalwert angezeigt bzw. ein Ähnlichkeitsvergleich angestellt werden; so können im ersten Maskenfeld 15a beispielsweise einfach das Komma vergessen worden sein: -15 mm statt -1,5 mm.
4 zeigt schematisch ein Werkstück 2 (z.B. Blech) auf der Werkstückauflage 6. Der Laserschneidkopf 5 wird bei zunächst ausgeschaltetem Laserstrahl 3 über eine erste Teilstrecke s₁ an das Werkstück 2 herangefahren. Danach wird der Laserstrahl 3 angeschaltet und der Laserbearbeitungskopf 5 über eine zweite Teilstrecke s₂ an eine Kante des Werkstücks 2 herangefahren. Die Mindestanfahrgeschwindigkeit v_min, mit welcher der Laserschneidkopf 5 an das Werkstück 2 herangefahren wird, wird dabei insbesondere in Abhängigkeit der Laserstrahlleistung und/oder eines Fokusdurchmessers d_F des Laserstrahls 3 berechnet.
Denn durch Reflexion an einem Butzen 19, welcher von einer vorhergehenden Bearbeitung stammt und an der Werkstückauflage 6 hängengeblieben ist, könnte der Laserstrahl 3 in Richtung auf eine Verkleidung oder Umhausung 20 der Laserschneidmaschine 1 umgelenkt werden. Eine solche Reflexion an dem Butzen 19 kann beispielsweise beim Zerschneiden eines Restgitters stattfinden. Beim Zerschneiden des Restgitters wird der Laserschneidkopf 5 mit dem gezündeten Laserstrahl 3 von außen an eine Werkstückkante angefahren. Während des Anfahrens kann der Laserstrahl 3 auf den Butzen 19 treffen und in Richtung der Verkleidung 20 umgelenkt werden. Dabei darf der Laserstrahl 3 maximal innerhalb einer vorgegebenen Standzeit auf die Verkleidung 20 treffen, um Schäden zu vermeiden.
Beispielsweise beträgt die Standzeit der Verkleidung 5 s bei einer Laserleistung von 12 kW. Wenn eine Sicherheitszeit von z.B. 2 s gegeben sein soll, muss sichergestellt sein, dass der Laserstrahl 3 max. 3 s lang mit 12 kW auf die Verkleidung 20 gelangt. Wenn der Laserstrahl 3 beispielsweise 6 mm vor der Werkstückkante gezündet wird, kann daraus abgeleitet werden, wie hoch die Mindestanfahrgeschwindigkeit v_min des Laserschneidkopfes 5 auf der Anfahrstrecke s₁, s₂ sein muss, um die 3 s Einwirkzeit nicht zu überschreiten. Die Mindestanfahrgeschwindigkeit des Laserschneidkopfes 5 beträgt in diesem Beispiel bei 12 kW Laserleistung: v_min = 6mm / 3s = 2 mm/s = 0,12 m/min.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20040019403 A1 [0004]
US 20200246920 A1 [0005]
WO 2019145513 A2 [0006]
EP 2037341 A2 [0007]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere Schneiden, metallischer, insbesondere plattenförmiger Werkstücke (2) mittels eines Laserstrahls (3) einer Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Laserstrahlleistung von mindestens 10 kW, wobei die Laserbearbeitung von einer Maschinensteuerung (10) mittels mindestens eines Laserbearbeitungsparameters gesteuert wird, dessen Parameterwert manuell eingebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein für den mindestens einen Laserbearbeitungsparameter manuell eingegebener Eingabewert von der Maschinensteuerung (10) dahingehend überprüft wird, ob bei einer Laserbearbeitung mit diesem Eingabewert eine Beschädigung der Laserbearbeitungsmaschine (1) durch den Laserstrahl (3) zu erwarten ist, und dass für den Fall keiner zu erwartenden Beschädigung der Eingabewert als neuer Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters von der Maschinensteuerung (10) übernommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer zu erwartenden Beschädigung der Eingabewert von der Maschinensteuerung (10) nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer zu erwartenden Beschädigung der Eingabewert von der Maschinensteuerung (10) auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer zu erwartenden Beschädigung der Eingabewert von der Maschinensteuerung (10) unverändert als neuer Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters übernommen und der Parameterwert mindestens eines anderen Laserbearbeitungsparameters von der Maschinensteuerung (10) dahingehend geändert wird, dass sowohl der Eingabewert des einen Laserbearbeitungsparameters als auch der geänderte Parameterwert des anderen Laserbearbeitungsparameters beschädigungsunkritisch sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laserbearbeitungsparameter mindestens einer der folgenden Parameter ist: Fokuslage (z_F) des Laserstrahls (3), Fokusdurchmesser (d_F) des Laserstrahls (3), Vorschubgeschwindigkeit (v) des Laserstrahls (3) beim Bearbeiten eines Werkstücks (2), Mindestanfahrgeschwindigkeit (v_min) des Laserstrahls (3) beim Heranfahren an ein Werkstück (2), Durchmesser der Schneiddüse (D_k)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (10) ein oberer und/oder ein unterer Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters für eine beschädigungsfreie Laserbearbeitung festgelegt werden und dass der Eingabewert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters, wenn er größer als der obere Grenzwert oder kleiner als der untere Grenzwert ist, von der Maschinensteuerung (10) nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen oder von der Maschinensteuerung (10) auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und/oder der untere Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters als eine absolute oder prozentuale Abweichung von einem Standardwert des Laserbearbeitungsparameters festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (10) beschädigungskritische Wertekombinationen von mindestens zwei Laserbearbeitungsparametern festgelegt werden und dass der Eingabewert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters, wenn er zusammen mit dem Parameterwert des anderen Laserbearbeitungsparameters eine kritische Wertekombination darstellt, von der Maschinensteuerung (10) nicht oder nur mit Warnhinweis übernommen oder von der Maschinensteuerung (10) auf einen beschädigungsunkritischen Parameterwert, insbesondere auf den nächstliegenden beschädigungsunkritischen Parameterwert, korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (10) eine Mindestanfahrgeschwindigkeit (v_min) des Laserstrahls (3) zum Heranfahren an ein Werkstück (2) in Abhängigkeit einer Laserleistung und/oder eines Fokusdurchmessers des Laserstrahls (3) festgelegt wird.
Laserbearbeitungsmaschine (1) zum Bearbeiten, insbesondere Schneiden, metallischer, insbesondere plattenförmiger Werkstücke (2) mittels eines Laserstrahls (3) mit einer Laserstrahlleistung von mindestens 10 kW, mit einem Laserbearbeitungskopf (5), aus dem der Laserstrahl (3) in Richtung auf ein Werkstück (2) austritt, mit einer Maschinensteuerung (10) zur Steuerung der Laserbearbeitung mittels Laserbearbeitungsparametern und zur Steuerung der Bewegung von Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstück (2) relativ zueinander, und mit einer Eingabeeinrichtung (12) zur manuellen Eingabe von Parameterwerten mindestens eines Laserbearbeitungsparameters in die Maschinensteuerung (10), wobei die Maschinensteuerung (10) programmiert ist, einen manuell eingegebenen Eingabewert dahingehend zu überprüfen, ob bei einer Laserbearbeitung mit diesem Eingabewert eine Beschädigung der Laserbearbeitungsmaschine (1) durch den Laserstrahl (3) zu erwarten ist, und für den Fall keiner zu erwartenden Beschädigung den Eingabewert als neuen Parameterwert des Laserbearbeitungsparameters zu übernehmen.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (10) ein oberer und/oder ein unterer Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters (z_F) für eine beschädigungsfreie Laserbearbeitung gespeichert sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und/oder der untere Grenzwert des mindestens einen Laserbearbeitungsparameters (z_F) als eine absolute oder prozentuale Abweichung von einem Standardwert des Laserbearbeitungsparameters gespeichert sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Maschinensteuerung (10) beschädigungskritische Wertekombinationen von mindestens zwei Laserbearbeitungsparametern gespeichert sind.