DE102022105135B4 - Method for reducing contour errors when cutting with a liquid or gas jet - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Konturfehlern, die durch einen Strahlnachlauf beim Schneiden eines Werkstücks mit einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl auftreten. Bei dem Verfahren wird der Strahlnachlauf in konvexen Abschnitten des Schnittpfades vollständig, in konkaven Abschnitten jedoch nur teilweise kompensiert. Dadurch lässt sich eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bei hoher Konturgenauigkeit erreichen.The present invention relates to a method for reducing contour errors that occur due to jet lag when cutting a workpiece with a liquid or gas jet. In the method, the beam wake is completely compensated for in convex sections of the cutting path, but only partially compensated for in concave sections. This makes it possible to achieve high processing speeds with high contour accuracy.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Konturfehlern, die durch einen Strahlnachlauf beim Schneiden eines Werkstücks mit einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl auftreten können, insbesondere beim Wasserstrahlschneiden.The present invention relates to a method for reducing contour errors that can occur due to jet overtravel when cutting a workpiece with a liquid or gas jet, in particular during water jet cutting.
Das Wasserstrahlschneiden ist ein sehr vielseitig einsetzbares Trennverfahren. Mit dem reinen Hochdruckwasserstrahl werden weiche Materialien schonend geschnitten. Anwendungen sind im Automobilbau bspw. das Schneiden von Dachhimmeln, Verkleidungen oder Gummidichtungen. Außerhalb der Autoindustrie werden Lebensmittel oder Windeln mit dem Reinwasserstrahl getrennt. Durch das Hinzufügen von Abrasivmitteln wird das Schneiden von harten Materialien möglich. Typische Materialien sind Stahl, Nichteisenmetalle, Keramik, Verbundwerkstoffe oder Stein. Der Schnitt durch den Abrasivwasserstrahl erfolgt sehr schonend. Es entstehen keine hohen Temperaturen und deshalb auch keine temperaturbedingten Gefügeveränderungen. Die mechanische Belastung ist sehr gering. Daher können auch sehr filigrane Formen ohne ein Verbiegen erzeugt werden. Bei spröden Materialien ist die Neigung zur Rissentstehung gegenüber anderen Verfahren wie dem Fräsen reduziert. Der häufigste Anwendungsfall für das Wasserstrahlschneiden ist die Herstellung von Bauteilen aus Blechen oder Platten. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wird durch die Schnittgeschwindigkeit bestimmt. Daher ist das oberste Ziel, für eine vorgegebene Qualitätsstufe eine möglichst geringe Bearbeitungszeit zu erzielen.Water jet cutting is a very versatile cutting process. Soft materials are gently cut with the pure high-pressure water jet. Applications include the cutting of roof linings, panels or rubber seals in automobile construction. Outside the automotive industry, food or diapers are separated using the pure water jet. By adding abrasives, cutting hard materials becomes possible. Typical materials are steel, non-ferrous metals, ceramics, composites or stone. The abrasive water jet cuts very gently. There are no high temperatures and therefore no temperature-related structural changes. The mechanical load is very low. This means that even very delicate shapes can be created without bending. With brittle materials, the tendency for cracks to form is reduced compared to other processes such as milling. The most common application for water jet cutting is the production of components from sheets or plates. The economic efficiency of the process is determined by the cutting speed. Therefore, the ultimate goal is to achieve the shortest possible processing time for a given quality level.
Beim Schneiden eines Werkstücks 1 mit einem Wasserstrahl wird der aus der Düse 3 austretende Wasserstrahl 2 entgegen der Bewegungsrichtung 4 abgelenkt, wie dies in
Neben dem Strahlnachlauf gibt es noch einen weiteren Effekt. Der Radius des Wasserstrahls ändert sich zwischen Strahleintrittspunkt und Strahlaustrittspunkt am Werkstück, es liegt eine Strahlkonizität vor. Der Radius des Strahlaustrittspunkts kann größer oder kleiner sein als der Radius des Strahleintrittspunktes. Ein größerer Radius wird über ein Auffächern des Strahls im Material (ähnlich wie in Luft) erklärt. Ein kleinerer Radius entsteht über Strahlreflexionen innerhalb der Schnittfuge, die zu einer Strahlfokussierung führen. Welcher diese beiden Fälle eintritt und wie stark der Effekt ausfällt, hängt vom zu schneidenden Material und den Prozessparametern des Wasserstrahls ab. Grundsätzlich ist der Fehlereinfluss durch den Strahlnachlauf deutlich größer als durch den Effekt der Radiusänderung.In addition to the jet wake, there is another effect. The radius of the water jet changes between the jet entry point and the jet exit point on the workpiece; there is a jet conicity. The radius of the beam exit point can be larger or smaller than the radius of the beam entry point. A larger radius is explained by a fanning out of the beam in the material (similar to air). A smaller radius is created by beam reflections within the kerf, which lead to beam focusing. Which of these two cases occurs and how strong the effect is depends on the material to be cut and the process parameters of the water jet. Basically, the influence of the error caused by the beam wake is significantly greater than the effect of the change in radius.
Einfache Wasserstrahlmaschinen besitzen nur drei Maschinenachsen zur Positionierung des Wasserstrahls. Diese Achsen bewegen die Düse in X-, Y- und Z-Richtung und erzeugen so die gewünschte Schnittfuge. Die Z-Achse wird in der Regel vor der Bearbeitung zur Einstellung des Düsenabstandes genutzt, die eigentliche Schnittbewegung erfolgt dann über die X- und Y-Achsen. Bei diesen Maschinen ist die Düse in Z-Richtung orientiert, zeigt also bei der Bearbeitung normal auf das Werkstück. Eine Beeinflussung des Strahlnachlaufs ist damit nicht möglich.Simple water jet machines only have three machine axes for positioning the water jet. These axes move the nozzle in the X, Y and Z directions, creating the desired kerf. The Z axis is usually used to adjust the nozzle distance before machining; the actual cutting movement then takes place via the X and Y axes. On these machines, the nozzle is oriented in the Z direction, so it points normally towards the workpiece during machining. It is therefore not possible to influence the jet wake.
Komplexere Wasserstrahlmaschinen besitzen noch weitere Maschinenachsen zur Orientierung der Düse. Bei seriellen Kinematiken sind zu diesem Zweck zwei zusätzliche Achsen verbaut, bei Parallelkinematiken sind es drei Achsen. Damit kann die Orientierung der Düse und damit der Strahlachse innerhalb der Grenzen der Maschinenkinematik frei eingestellt werden. Hierdurch werden auch schräge Schnitte (bspw. Kegel) möglich.More complex water jet machines have additional machine axes for orienting the nozzle. In serial kinematics, two additional axes are installed for this purpose; in parallel kinematics there are three axes. This means that the orientation of the nozzle and thus the jet axis can be freely adjusted within the limits of the machine kinematics. This also makes oblique cuts (e.g. cones) possible.
Die Einstellbarkeit der Orientierung der Düse kann genutzt werden, um die Effekte des Strahlnachlaufs und der Strahlkonizität auszugleichen und so eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Der Strahlnachlauf wird dabei durch eine geeignete Orientierung der Düse bzw. der Strahlachse in Bewegungs- bzw. Vorschubrichtung kompensiert, die Radiusänderung durch eine Orientierung normal zur Bewegungsrichtung, wie dies beispielhaft in
In dieser Figur ist im linken Teil beispielhaft eine in Vorschubrichtung 4 geneigte Düse 3 dargestellt. Die Neigung bzw. Orientierung der Düse und damit der Strahlachse des Wasserstrahls 2 ist dabei so eingestellt, dass der Strahlnachlauf beim Schneiden des Werkstücks 1 kompensiert wird, der Strahleintrittsort 8 also über dem Strahlaustrittort 9 liegt, wie dies in der
Das Ziel ist es, vor allem den Strahlnachlauf möglichst zu minimieren, da dieser für den Großteil des Formfehlers an der unteren Bauteilkante verantwortlich ist. Der Strahlnachlauf ist proportional zur Bearbeitungs- bzw. Vorschubgeschwindigkeit. Besteht keine Möglichkeit zur Düsenorientierung, muss eine den Genauigkeitsvorgaben entsprechende niedrige Bearbeitungsgeschwindigkeit gewählt werden. Mit der Möglichkeit der Einstellung der Strahlorientierung können also deutlich höhere Geschwindigkeiten erreicht werden. Der Prozess wird hierdurch wirtschaftlicher.The aim is, above all, to minimize the jet lag as much as possible, as this is responsible for the majority of the shape errors on the lower edge of the component. The jet tracking is proportional to the processing or feed speed. If there is no possibility of nozzle orientation, a low processing speed must be selected that corresponds to the accuracy specifications. With the option of adjusting the beam orientation, significantly higher speeds can be achieved. This makes the process more economical.
Zur Kompensation des Strahlnachlaufs wird durch eine geeignete Düsenorientierung in die Bewegungsrichtung der Austrittspunkt des Strahls aus dem Werkstück möglichst exakt unter den Eintrittspunkt des Strahls in das Werkstück gelegt. In der schematischen Darstellung der
Der Winkel α kann beispielsweise über Versuchsreihen mit unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten, ggf. in Kombination mit einem Strahlmodell, bestimmt werden. Das Material und die Strahlparameter werden dabei nicht verändert. Bei Nutzung eines geeigneten Strahlmodells wird dann für jede Kombination von Bearbeitungsgeschwindigkeit und Materialdicke der Strahlnachlauf sowie bei Bedarf auch der Strahlradius bei Eintritt und Austritt aus dem Werkstück erhalten. Hieraus kann der Kompensationswinkel α abgeleitet werden.The angle α can be determined, for example, through series of tests with different feed speeds, possibly in combination with a jet model. The material and the beam parameters are not changed. When using a suitable jet model, the jet wake and, if necessary, the jet radius at entry and exit from the workpiece are then obtained for each combination of processing speed and material thickness. The compensation angle α can be derived from this.
Die
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Durch die Kompensation des Strahlnachlaufs werden höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich, da der Strahlnachlauf den größten Teil des Fertigungsfehlers auf der Unterseite des Werkstücks ausmacht. Außerdem verhält sich der Wasserstrahl bei vollständiger Eliminierung des Strahlnachlaufs ähnlich wie ein starres Werkzeug, bspw. ein Fräser. Daher können einfache CAM-Algorithmen aus dem Fräsen weiterverwendet werden, lediglich die Werkzeugorientierung wird gegenüber dem Fräsen verändert.By compensating for the jet lag, higher cutting speeds are possible because the jet lag accounts for the largest part of the manufacturing error on the underside of the workpiece. In addition, if the jet wake is completely eliminated, the water jet behaves similarly to a rigid tool, such as a milling cutter. Therefore, simple CAM algorithms from milling can continue to be used, only the tool orientation is changed compared to milling.
Bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten entsteht ein großer Strahlnachlauf, der durch eine entsprechend starke Kompensation ausgeglichen werden muss. Diese starke Kompensation führt zu beträchtlichen Bewegungen der Rotationsachsen der Maschine, die für die Orientierung der Düse verantwortlich sind. Dabei können die dynamischen Limitierungen der Rotationsachsen (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck) überschritten werden. Die Folge ist eine Reduzierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit durch die Steuerung der Maschine, die im CAM-System nicht berücksichtigt wurde. Erfolgt diese Reduzierung nicht, können die Rotationsachsen der programmierten Bewegung nicht folgen. In beiden Fällen befindet sich der Strahlaustrittspunkt dann nicht am berechneten Ort, da entweder die Kompensation zu stark ist oder die Maschinenachsen aufgrund ihrer Trägheit nicht folgen können. Es kommt zu Konturverletzungen.At high processing speeds, a large jet lag occurs, which must be compensated for by a correspondingly strong compensation. This strong compensation results in significant movements of the machine's rotation axes, which are responsible for the orientation of the nozzle. The dynamic limitations of the rotation axes (speed, acceleration, jerk) can be exceeded. The result is a reduction in processing speed due to the machine control, which was not taken into account in the CAM system. If this reduction does not occur, the rotation axes cannot follow the programmed movement. In both cases, the beam exit point is not at the calculated location because either the compensation is too strong or the machine axes cannot follow due to their inertia. Contour violations occur.
Die
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung von Konturfehlern beim Schneiden eines Werkstück mit einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl, insbesondere einem Wasserstrahl, anzugeben, das eine geringere Belastung der Achsen der eingesetzten Strahlmaschine verursacht und eine hohe Konturgenauigkeit ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method for reducing Contour errors when cutting a workpiece with a liquid or gas jet, in particular a water jet, which causes a lower load on the axes of the jet machine used and enables high contour accuracy.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The task is solved using the method according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst ein Schnittpfad, der beim Schneiden des Werkstücks mit dem Schneidestrahl in einer Vorschubrichtung durchlaufen wird, sowie für die Bestimmung des Strahlnachlaufs erforderliche Parameter, die wenigstens die Orientierung der Strahlachse oder Düse und die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidestrahls entlang des Schnittpfades umfassen, als Daten bereitgestellt. Vorzugsweise werden diese Daten in herkömmlicher Weise durch ein CAM-System (CAM: computer aided manufacturing) generiert und bereitgestellt. Die Daten können dabei in einem maschinenunabhängigen Format vorliegen, wie bspw. CLDATA oder NCI. Diese Daten werden dann beim vorgeschlagenen Verfahren in folgender Weise weiterverarbeitet. Es werden konvexe und konkave Abschnitte des Schnittpfades sowie der Strahlnachlauf bestimmt. Die Begriffe konvex und konkav beziehen sich dabei auf das geschnittene Werkstück. Die konvexen Abschnitte stellen damit also konvex verlaufende Schnittflächen des geschnittenen Werkstücks, die konkaven Abschnitte konkav verlaufende Schnittflächen des geschnittenen Werkstück dar. Der Strahlnachlauf wird auf Basis der Vorschubgeschwindigkeit, der Schnitttiefe sowie des Materials bestimmt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dies kann auf Basis eines Modells oder auch auf Basis experimenteller Voruntersuchungen erfolgen. Die in den bereitgestellten Daten enthaltene Orientierung der Strahlachse (bzw. Düse) wird dann in den konvexen Abschnitten derart angepasst, dass Strahleintritts- und Strahlaustrittsort am Werkstück beim Schneiden des Werkstücks übereinander liegen. Im Unterschied dazu wird die Orientierung der Strahlachse in den konkaven Abschnitten derart angepasst, dass der Strahlaustrittsort beim Schneiden des Werkstücks zwar auf dem Schnittpfad, jedoch nicht unter dem Strahleintrittsort, sondern bzgl. der Vorschubrichtung hinter dem Strahleintrittsort liegt. Durch diese Datenverarbeitung werden entsprechend angepasste Daten erhalten. Das Werkstück wird dann unter Verwendung dieser angepassten Daten, ggf. nach weiterer Verarbeitung dieser Daten, mit dem Flüssigkeits- oder Gasstrahl als Schneidestrahl geschnitten. Bei dem Flüssigkeits- oder Gasstrahl handelt es sich vorzugsweise um einen Wasserstrahl oder um einen Abrasivwasserstrahl, der zusätzliche abrasive Elemente enthält. Es lassen sich jedoch auch andere Flüssigkeitsstrahlen oder Gasstrahlen zum Schneiden einsetzen, bspw. auch ein ionisierter Gasstrahl, also ein Plasmastrahl.In the proposed method, a cutting path is first taken into account, which is traversed in a feed direction when cutting the workpiece with the cutting jet, as well as parameters required for determining the jet tracking, which include at least the orientation of the jet axis or nozzle and the feed speed of the cutting jet along the cutting path. provided as data. This data is preferably generated and provided in a conventional manner by a CAM system (CAM: computer-aided manufacturing). The data can be in a machine-independent format, such as CLDATA or NCI. This data is then further processed in the proposed method in the following manner. Convex and concave sections of the cutting path as well as the beam wake are determined. The terms convex and concave refer to the cut workpiece. The convex sections therefore represent convex cut surfaces of the cut workpiece, the concave sections represent concave cut surfaces of the cut workpiece. The jet tracking is determined on the basis of the feed speed, the cutting depth and the material, as is known from the prior art. This can be done on the basis of a model or on the basis of preliminary experimental studies. The orientation of the jet axis (or nozzle) contained in the data provided is then adjusted in the convex sections such that the jet entry and jet exit locations on the workpiece lie one above the other when the workpiece is cut. In contrast to this, the orientation of the beam axis in the concave sections is adjusted in such a way that the beam exit point when cutting the workpiece is on the cutting path, but not below the beam entry point, but behind the beam entry point with respect to the feed direction. This data processing results in appropriately adapted data. The workpiece is then cut using this adapted data, if necessary after further processing of this data, with the liquid or gas jet as a cutting jet. The liquid or gas jet is preferably a water jet or an abrasive water jet that contains additional abrasive elements. However, other liquid jets or gas jets can also be used for cutting, for example an ionized gas jet, i.e. a plasma jet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit in konkaven Abschnitten des Schnittpfades die starre Kopplung zwischen Strahleintritt und Strahlaustritt aufgehoben, die bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu hohen dynamischen Anforderungen an die Strahlmaschine führt. Es wurde dabei erkannt, dass eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs in den konkaven Abschnitten gar nicht erforderlich ist, um eine hohe Schnittqualität zu erreichen. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird daher eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs lediglich in konvexen Abschnitten durchgeführt, in konkaven Abschnitten wird die Orientierung der Strahlachse bzw. Düse lediglich so eingestellt, dass der Strahlaustrittsort in der Schnittfuge liegt. Dies entspricht lediglich einer Teilkompensation des Strahlnachlaufs. Dabei wird der Strahlaustrittsort vorzugsweise an eine Stelle der Schnittfuge gelegt, die ausgehend von einem bei senkrechter Orientierung der Strahlachse vorliegenden Strahlaustrittort auf kürzestem Weg erreichbar ist. In dem evtl. zwischen den konvexen und/oder konkaven Abschnitten vorliegenden geradlinigen Bereichen erfolgt keine Kompensation des Nachlaufs. Da der Strahlnachlauf in diesen geradlinigen Abschnitten der Bearbeitungsrichtung entgegen gerichtet ist, liegt bei einem Schnitt entlang des geradlinigen Abschnittes der Strahlaustrittspunkt auch automatisch auf dieser Strecke und muss nicht korrigiert werden. Durch diese Wahl der Orientierung der Strahlachse wird eine geringere Belastung der Achsen der Strahlmaschine bei hoher Schnittqualität erreicht, da nur in den konkaven Bereichen eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs mit den damit verbundenen hohen Achsenbelastungen erforderlich ist.In the proposed method, the rigid coupling between beam entry and beam exit is eliminated in concave sections of the cutting path, which leads to high dynamic demands on the blast machine at high processing speeds. It was recognized that complete compensation of the jet wake in the concave sections is not necessary to achieve high cutting quality. In the proposed method, complete compensation of the jet wake is therefore only carried out in convex sections; in concave sections, the orientation of the jet axis or nozzle is only adjusted so that the jet exit location lies in the kerf. This only corresponds to partial compensation of the beam wake. The beam exit location is preferably placed at a point on the kerf that can be reached via the shortest path starting from a beam exit location that is present when the beam axis is oriented vertically. In the straight-line areas that may exist between the convex and/or concave sections, there is no compensation for the caster. Since the jet trail in these rectilinear sections is directed in the opposite direction to the processing direction, when a cut is made along the rectilinear section, the jet exit point is automatically on this path and does not need to be corrected. This choice of orientation of the jet axis results in a lower load on the axes of the jet machine with high cutting quality, since complete compensation of the jet wake with the associated high axis loads is only required in the concave areas.
Bei bestimmten Geometrien kann es durch den Wechsel zwischen den unterschiedlichen Kompensationen (vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs gegenüber Teilkompensation) zwischen den konvexen und konkaven Abschnitten dazu kommen, dass der Strahlaustrittspunkt an diesen Stellen springt. Um dies zu vermeiden, werden vorzugsweise die gemäß der vorangehenden Beschreibung erhaltenen Orientierungen der Strahlachse beim Wechsel zwischen den konkaven und konvexen Abschnitten bei der Datenverarbeitung zusätzlich überprüft. Dabei wird für jeden Punkt des Schnittpfades im Bereich dieser Wechsel eine resultierende Geschwindigkeit des Strahlaustrittsortes berechnet und die Orientierung der Strahlachse jeweils bei Bedarf korrigiert, um eine Geschwindigkeit innerhalb eines vorgegebenen Geschwindigkeitsintervalls sicherzustellen. Dieses Geschwindigkeitsintervall wird anhand der durch die Strahlmaschine vorgegebenen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmöglichkeiten gewählt. So werden vorzugsweise eine positive Minimalgeschwindigkeit und eine positive Maximalgeschwindigkeit vorgegeben. Unter den Punkten des Schnittpfades, an denen die Geschwindigkeit jeweils berechnet wird, werden Punkte verstanden, die entsprechend der gewünschten räumlichen Auflösung entlang des Schnittpfades gewählt werden. Diese können konstanten Abstand haben oder auch im Abstand variieren. In gleicher Weise kann optional auch die Beschleunigung entsprechend begrenzt und/oder ein Ruck des Strahlaustrittspunktes durch entsprechende Vorgaben vermieden werden.With certain geometries, the change between the different compensations (full compensation of the beam wake versus partial compensation) between the convex and concave sections can cause the beam exit point to jump at these points. In order to avoid this, the orientations of the beam axis obtained according to the previous description are preferably additionally checked when changing between the concave and convex sections during data processing. A resulting velocity of the beam exit location is calculated for each point of the cutting path in the area of these changes and the orientation of the beam axis is corrected as necessary to ensure a speed within a predetermined speed interval. This speed interval is selected based on the speed and acceleration options specified by the jet machine. A positive minimum speed and a positive maximum speed are preferably specified. The points of the cutting path at which the speed is calculated are understood to be points that are selected according to the desired spatial resolution along the cutting path. These can have a constant distance or can vary in distance. In the same way, the acceleration can optionally be limited accordingly and/or a jerk of the jet exit point can be avoided by appropriate specifications.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei der Datenverarbeitung zum Erhalt der angepassten Daten für jeden Punkt des Schnittpfades auch geprüft, ob durch die gewählte Orientierung der Strahlachse eine Konturverletzung an einer Strahleintrittsseite des Werkstücks erzeugt wird. Zu einer derartigen Konturverletzung kann es vor allem bei einer starken Neigung der Strahlachse gegenüber der senkrechten Orientierung zur Werkstückoberfläche kommen. Die Erkennung einer Konturverletzung erfordert die Kenntnis der Konizität des Strahls, die auf Basis eines geometrischen Strahlmodells ermittelt werden kann. Bei Erkennung einer Konturverletzung wird der Strahleintrittsort unter Beibehaltung des Strahlaustrittsortes in der Schnittfuge korrigiert, um die Konturverletzung zu minimieren. Alternativ oder zusätzlich kann in den konkaven Abschnitten auch die Orientierung der Strahlachse unter Beibehaltung des Strahlaustrittsortes in der Schnittfuge korrigiert werden.In a further advantageous embodiment, during data processing to obtain the adapted data for each point of the cutting path, it is also checked whether the selected orientation of the beam axis causes a contour violation on a beam entry side of the workpiece. Such a contour violation can occur especially if the beam axis is strongly inclined compared to the perpendicular orientation to the workpiece surface. The detection of a contour violation requires knowledge of the conicity of the beam, which can be determined based on a geometric beam model. If a contour violation is detected, the beam entry point is corrected while maintaining the beam exit point in the kerf in order to minimize the contour violation. Alternatively or additionally, the orientation of the beam axis can also be corrected in the concave sections while maintaining the beam exit location in the kerf.
Die Bereitstellung der Daten mit dem Schnittpfad erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise zusammen mit den für die Bestimmung des Strahlnachlaufs erforderlichen Parametern durch ein CAM-System. Die durch dieses CAM-System bereitgestellten Daten werden dann in einem Datenverarbeitungsmodul gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren verarbeitet und vorzugsweise wiederum einem Postprozessor zugeführt, der dann aus den angepassten Daten ein Steuerprogramm für eine zum Schneiden eingesetzte Strahlmaschine generiert, mit dem die Maschine dann zum Schneiden Werkstücks gesteuert wird. Die von diesem Datenverarbeitungsmodul gelieferten angepassten Daten weisen vorzugsweise das gleiche Format auf, wie die vom CAM-System bereitgestellten Daten.In the proposed method, the data with the cutting path is preferably provided together with the parameters required for determining the beam wake by a CAM system. The data provided by this CAM system is then processed in a data processing module according to the proposed method and preferably in turn fed to a postprocessor, which then uses the adapted data to generate a control program for a jet machine used for cutting, with which the machine is then controlled for cutting the workpiece becomes. The customized data provided by this data processing module preferably has the same format as the data provided by the CAM system.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich sehr vorteilhaft beim Wasserstrahlschneiden einsetzen, ist jedoch auch für andere Strahlschneideverfahren, bei denen ein Flüssigkeits- oder Gasstrahl eingesetzt wird, geeignet. Beispielhafte Einsatzgebiete wurden bereits in der Beschreibungseinleitung angeführt.The proposed method can be used very advantageously for water jet cutting, but is also suitable for other jet cutting methods in which a liquid or gas jet is used. Examples of areas of application have already been listed in the introduction to the description.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung des Strahlnachlaufs beim Wasserstrahlschneiden; -
2 eine schematische Darstellung der Kompensation des Strahlnachlaufs und der Konizität gemäß dem Stand der Technik; -
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Strahlgeometrie und eines Korrekturwinkels für eine vollständige Korrektur des Strahlnachlaufs; -
4 eine schematische Darstellung des Strahlnachlaufs bei konkaver Geometrie und der beim vorgeschlagenen Verfahren durchgeführten Teilkompensation in konkaven Abschnitten; -
5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Verletzung der Oberkante des Werkstücks bei stark geneigter Orientierung der Strahlachse; und -
6 ein Beispiel für die Einbindung der Datenverarbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in den Datenfluss bestehender Systeme.
-
1 a schematic representation of the jet wake during waterjet cutting; -
2 a schematic representation of the compensation of the beam wake and the taper according to the prior art; -
3 a schematic representation of an exemplary beam geometry and a correction angle for a complete correction of the beam wake; -
4 a schematic representation of the beam wake with concave geometry and the partial compensation in concave sections carried out in the proposed method; -
5 a schematic representation to illustrate an injury to the upper edge of the workpiece when the beam axis is strongly inclined; and -
6 an example of integrating data processing according to the proposed method into the data flow of existing systems.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of carrying out the invention
Die
Dies wird anhand der
Die Orientierung der Strahlachse wird daher beim vorliegenden Verfahren in konkaven Abschnitten des Schnittpfades nur so eingestellt, dass der Strahlaustrittspunkt in der Schnittfuge bzw. auf dem Schnittpfad liegt. Die starre Kopplung zwischen Strahlaustrittspunkt und Strahleintrittspunkt wird aufgehoben, ein gewisser Strahlnachlauf ausdrücklich erlaubt. Es erfolgt also nur eine Teilkompensation.In the present method, the orientation of the beam axis is therefore only adjusted in concave sections of the cutting path so that the beam exit point lies in the kerf or on the cutting path. The rigid coupling between the beam exit point and the beam entry point is eliminated and a certain beam tracking is expressly permitted. So there is only partial compensation.
Vorzugsweise wird der Strahlaustrittspunkt auf dem kürzesten Weg zur Schnittfuge gezogen. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch die geringste Kompensation erforderlich wird. Allerdings ist es in der Praxis aufgrund äußerer Randbedingungen oft notwendig, den Strahlaustrittspunkt in den konkaven Abschnitten auf einem beliebigen Punkt der Schnittfuge zwischen dem Punkt mit der geringsten notwendigen Kompensation und dem Strahleintrittspunkt platzieren zu können. Der rechte Teil der
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Teilkompensation nur in den konkaven Abschnitten konnte experimentell validiert werden. Hierzu wurde ein direkter Vergleich der beschriebenen Teilkompensation und der vollständigen Kompensation des Nachlaufs nach dem Stand der Technik durchgeführt. Dabei wurde ein zahnradartiges Bauteil mit einer sehr hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit gefertigt, um die Grenzen der Kompensationsmethoden auszutesten. Bei der Teilkompensation wurde der Strahlaustrittspunkt für den gesamten Schnittpfad jeweils auf dem kürzesten Weg in die Schnittfuge gezogen. Die beiden Kompensationsmethoden erzeugten bei diesem Test völlig unterschiedliche Schadensbilder. Die Kompensationsmethode nach dem Stand der Technik erzeugte bei konkaven Bauteilabschnitten eine deutliche Schädigung, schnitt aber bei konvexen Abschnitten sehr gut ab. Bei der Teilkompensation wurden die konkaven Abschnitte besonders gut gefertigt, während die konvexen Abschnitte stark verrundet wurden. Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem in den konvexen Abschnitten der Kontur eine vollständige Kompensation des Strahlnachlaufs (gemäß dem Stand der Technik) und in den konkaven Abschnitten die oben beschriebene Teilkompensation erfolgt, vereint die Stärken aus beiden Methoden und eliminiert die Schwächen. Damit konnte das gesamte Bauteil ohne deutliche Schädigungen gefertigt werden. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit, die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu reduzieren, um die Schädigungen in den jeweiligen Bereichen zu verringern. Es kann also auch in der Praxis eine deutlich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit gewählt werden.The advantages of the partial compensation according to the invention only in the concave sections could be validated experimentally. For this purpose, a direct comparison of the partial compensation described and the complete compensation of the lag according to the state of the art was carried out. A gear-like component was manufactured at a very high processing speed in order to test the limits of the compensation methods. With partial compensation, the beam exit point for the entire cutting path was drawn into the kerf along the shortest path. The two compensation methods produced completely different damage patterns in this test. The prior art compensation method produced significant damage on concave component sections, but performed very well on convex sections. With partial compensation, the concave sections were manufactured particularly well, while the convex sections were heavily rounded. The method according to the invention, in which complete compensation of the beam wake occurs in the convex sections of the contour (according to the prior art) and the partial compensation described above in the concave sections, combines the strengths of both methods and eliminates the weaknesses. This meant that the entire component could be manufactured without any significant damage. In particular, there is no need to reduce the processing speed in order to reduce damage in the respective areas. In practice, a significantly higher processing speed can also be selected.
Im Folgenden werden unterschiedliche, zum Teil optionale Schritte der Datenverarbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels mit einem Wasserstrahl erläutert, die mit einem Softwareprogramm durchführbar sind.Different, partly optional steps of data processing according to the proposed method are explained below using an exemplary embodiment with a water jet, which can be carried out with a software program.
Schritt 1: Unterteilung in konvexe und konkave BereicheStep 1: Division into convex and concave areas
Die Software erhält den Schnittpfad zusammen mit der programmierten Orientierung und den Prozessparametern (Vorschubgeschwindigkeit, Druck etc.) aus einem CAM-System. Die Software liest aus dem NC-Programm den Schnittpfad ein und unterteilt ihn in konvexe und konkave Bereiche. Dies geschieht durch eine Geometrieanalyse.The software receives the cutting path along with the programmed orientation and the process parameters (feed speed, pressure, etc.) from a CAM system. The software reads the cutting path from the NC program and divides it into convex and concave areas. This is done through a geometry analysis.
Schritt 2: Berechnung der StrahlorientierungStep 2: Calculating the beam orientation
Nun wird für die konkaven Bereiche die Strahlorientierung nach der neuen Kompensationsmethode (Teilkompensation) angepasst, in den konvexen Bereichen durch vollständige Kompensation nach dem Stand der Technik. Bei der neuen Kompensationsmethode wird der Strahlaustrittspunkt in diesem Beispiel auf dem kürzesten Weg in die Schnittfuge gezogen.Now the beam orientation is adjusted for the concave areas using the new compensation method (partial compensation), and in the convex areas by complete compensation according to the state of the art. With the new compensation method, the beam exit point in this example is drawn into the kerf along the shortest path.
Schritt 3: Anpassung der Position des StrahlaustrittspunktesStep 3: Adjust the position of the beam exit point
Würde man ein durch die ersten beiden Schritte erzeugtes NC-Programm auf der Wasserstrahlmaschine ausführen, kann dies zu einem unbefriedigenden Ergebnis führen. Durch den Wechsel zwischen den zwei Kompensationsmethoden „springt“ möglicherweise der Strahlaustrittspunkt an diesen Stellen. Beim Wechsel von konkav zu konvex würde dann der Strahlaustrittspunkt sehr stark beschleunigen, beim umgekehrten Wechsel sehr stark abbremsen oder sogar zurücklaufen. Auch innerhalb des konkaven Bereiches könnte es aufgrund der Berechnungsmethode zu einem plötzlichen Zurücklaufen des Strahlaustrittspunktes kommen. Daher wird vorzugsweise der gesamte Schnittpfad durchlaufen und für jeden Punkt die resultierende Geschwindigkeit des Strahlaustrittspunktes berechnet. Es wird nun durch eine Korrektur der Strahlaustrittspunkte sichergestellt, dass sich die Geschwindigkeit in einem vorher festgelegten Intervall befindet. Nach diesem Korrekturschritt bewegt sich der Strahlaustrittspunkt immer nach vorne, unterschreitet nie die vorher festgelegte Minimalgeschwindigkeit und überschreitet nie die Maximalgeschwindigkeit. Es besteht auch die Möglichkeit, neben der Geschwindigkeit auch die Beschleunigung und den Ruck des Strahlaustrittspunktes in analoger Weise zu kontrollieren.If you were to execute an NC program generated by the first two steps on the water jet machine, this could lead to an unsatisfactory result. By switching between the two compensation methods, the beam exit point may “jump” at these points. When changing from concave to convex, the jet exit point would accelerate very sharply, and when changing the other way around, it would slow down very sharply or even recede. Even within the concave area, due to the calculation method, the beam exit point could suddenly recede men. Therefore, the entire cutting path is preferably traversed and the resulting speed of the beam exit point is calculated for each point. By correcting the jet exit points, it is now ensured that the speed is within a predetermined interval. After this correction step, the beam exit point always moves forward, never falls below the predetermined minimum speed and never exceeds the maximum speed. It is also possible to control not only the speed but also the acceleration and jerk of the jet exit point in an analogous manner.
Schritt 4: Korrektur von Bauteilverletzungen an der WerkstückoberseiteStep 4: Correction of component injuries on the top of the workpiece
Wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, besitzt der Strahl eine Strahlkonizität. In der Luft weitet sich der Strahl immer auf, während er sich im Bauteil auch einschnüren kann. Wird der Wasserstrahl 2 während des Schnitts nun stark zur Seite geneigt, um den Strahlaustrittspunkt in die Schnittfuge zu ziehen, kann es an der Oberseite des Werkstücks 1 zu Konturverletzungen 13 kommen. Diese treten auf, wenn der Neigungswinkel den Aufweitungswinkel des Strahls 2 übersteigt, wie dies in
Ein Lösungsansatz sieht vor, die Position des programmierten Bahnpunktes (Strahleintrittspunkt) dann neu zu berechnen. Dabei wird der Bahnpunkt vom Werkstück wegbewegt, um die Konturverletzung zu vermeiden.One solution involves then recalculating the position of the programmed path point (beam entry point). The path point is moved away from the workpiece in order to avoid contour violation.
Bei einem zweiten Lösungsansatz wird in den konkaven Bereichen der Strahlaustrittspunkt nicht auf dem kürzesten Weg in die Schnittfuge bewegt, sondern auf einen anderen Punkt in der Schnittfuge korrigiert, der sich näher am Strahleintrittspunkt befindet. Dies reduziert die Konturverletzungen an der Oberseite und auch die notwendigen Anpassungen der Dynamik des Strahlaustrittspunktes.In a second approach, the beam exit point in the concave areas is not moved into the kerf along the shortest path, but is corrected to another point in the kerf that is closer to the beam entry point. This reduces the contour violations on the top and also the necessary adjustments to the dynamics of the jet exit point.
Die Software kann hierzu vorzugsweise beide Möglichkeiten anbieten. So kann der Nutzer die für seinen Prozess günstigsten Parameter finden.The software can preferably offer both options for this. This allows the user to find the most favorable parameters for their process.
Bei heutzutage eingesetzten Fertigungssystemen erfolgt die Berechnung des Werkzeugweges bzw. Schnittpfades innerhalb eines sogenannten CAM-Systems (CAM - computer aided manufacturing). Dieses gibt das Fertigungsprogramm in einem allgemeinen, technologie- und maschinenunabhängigen Format wie z.B. CLDATA oder NCI aus. Erst im Postprozessor werden die Programme in die NC-Sprache der jeweiligen Maschine übersetzt. Außerdem werden in diesem Schritt individuelle, für die jeweilige Maschine zugeschnittenen Informationen hinzugefügt. Dies kann Code zur Ansteuerung spezieller Geräte sein, bei Wasserstrahlmaschinen sind dies bspw. Pumpen, Ventile, Abrasivmitteldosierung. Bei dieser Softwarearchitektur werden die Informationen für die Strahlkompensation im CAM-System erstellt und mit Hilfe des maschinenunabhängigen Programms ausgegeben.In the manufacturing systems used today, the tool path or cutting path is calculated within a so-called CAM system (CAM - computer aided manufacturing). This outputs the production program in a general, technology- and machine-independent format such as CLDATA or NCI. The programs are only translated into the NC language of the respective machine in the postprocessor. In addition, individual information tailored to the respective machine is added in this step. This can be code for controlling special devices, for example in water jet machines these are pumps, valves, abrasive dosing. With this software architecture, the information for beam compensation is created in the CAM system and output using the machine-independent program.
Eine weitere aktuell verwendete Methode ist die Übergabe eines Werkzeugweges ohne Kompensationsinformationen an die Steuerung. An der Wasserstrahlmaschine gibt der Nutzer dann die Informationen ein, die für die Kompensationsberechnung benötigt werden. Dies sind die verwendeten Prozessparameter (Druck, Abrasivmittelbeladung etc.) und die Angabe, welches Material in welcher Dicke geschnitten werden soll. Bei dieser Methode fügt die Steuerung kurz vor oder während der Fertigung die Informationen zur Strahlkompensation hinzu. Dazu wird eine vorher angelegte Materialdatenbank genutzt.Another method currently used is to pass a tool path to the controller without compensation information. The user then enters the information needed for the compensation calculation on the water jet machine. These are the process parameters used (pressure, abrasive load, etc.) and the information about which material should be cut and in what thickness. With this method, the controller adds the beam compensation information shortly before or during production. A previously created material database is used for this purpose.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nach einem anderen, neuartigen Prinzip. Hier wird die traditionelle Softwarekette CAD-System -> CAM-System -> Postprozessor -> Maschinensteuerung zwischen CAM-System und Postprozessor aufgebrochen und eine weitere Softwareschicht hinzugefügt, wie dies in
Dies hat für den Anwender mehrere Vorteile. Zunächst ist die Schnittstelle zwischen CAM-System und Postprozessor über Formate wie CLDATA oder NCI gut definiert. Wenn das zur Datenverarbeitung gemäß dem vorliegenden Verfahren eingesetzte Softwaremodul bspw. ein Programm im CLDATA-Format einliest, modifiziert und schließlich wieder im CLDATA-Format ausgibt, ist eine Integration in schon bestehende Systeme problemlos möglich. Zukünftige Updates können besonders einfach durchgeführt werden. Die vorhandenen Softwaresysteme können weiter genutzt werden. Es sind also keine Schulungen für ein neues CAD- oder CAM-System notwendig.This has several advantages for the user. First of all, the interface between CAM system and post processor is well defined via formats such as CLDATA or NCI. If the software module used for data processing according to the present method reads, for example, a program in CLDATA format, modifies it and finally outputs it again in CLDATA format, integration into existing systems is possible without any problems. Future updates can be carried out particularly easily. The existing software systems can continue to be used. So no training is necessary for a new CAD or CAM system.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Werkstückworkpiece
- 22
- Wasserstrahlwater jet
- 33
- Düsejet
- 44
- Bewegungsrichtung/VorschubrichtungDirection of movement/feed direction
- 55
- StrahlnachlaufJet tracking
- 66
- unbearbeitetes Materialunprocessed material
- 77
- Schnittflächecutting surface
- 88th
- StrahleintrittsortBeam entry location
- 99
- StrahlaustrittsortBeam exit location
- 1010
- schräge Schnittflächeoblique cutting surface
- 1111
- senkrechte Schnittflächevertical cutting surface
- 1212
- Strahlaustrittsort nach (Teil-)KompensationBeam exit location after (partial) compensation
- 1313
- KonturverletzungContour violation
Claims (8)
Priority Applications (1)
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DE102022105135.8A DE102022105135B4 (en) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | Method for reducing contour errors when cutting with a liquid or gas jet |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102022105135A1 DE102022105135A1 (en) | 2023-09-07 |
DE102022105135B4 true DE102022105135B4 (en) | 2023-11-23 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |