DE19716616C2 - Laserschneidmaschine und Verfahren zum Laserschneiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschneidmaschine zum Schneiden elektrisch leitender Werkstücke mit einem relativ zu dem zu bear­ beitenden Werkstück von diesem beabstandet bewegbaren Laser­ schneidkopf zumindest mit einem elektrisch leitenden Teil, insbe­ sondere einer elektrisch leitenden Laserdüse, mit einer Abstands­ meßeinrichtung zur Bestimmung des Abstandes des Laserschneid­ kopfs, insbesondere der Laserdüse, von dem Werkstück, mit einer Widerstandsmeßeinrichtung, die einerseits mit dem Laserschneid­ kopf bzw. dessen elektrisch leitendem Teil, insbesondere der La­ serdüse des Laserschneidkopfs, und andererseits mit dem Werkstück in Verbindung steht und mittels derer die Größe des elektrischen Widerstandes des Mediums zwischen dem Laserschneidkopf, vorzugs­ weise der Laserdüse, und dem Werkstück bestimmbar ist sowie mit einer Einrichtung zur Steuerung der Parameter des Schneidvor­ gangs, mit welcher die Widerstandsmeßeinrichtung über eine mit der Abstandsmeßeinrichtung in Verbindung stehende Auswerteein­ richtung steuernd gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Größe des elektrischen Wider­ standes sowie dem bestimmten Abstand des Laserschneidkopfs, ins­ besondere der Laserdüse, von dem Werkstück ein Steuersignal für die Einrichtung zur Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum La­ serschneiden elektrisch leitender Werkstücke, wobei ein Laser­ schneidkopf von dem zubearbeitenden Werkstück beabstandet rela­ tiv zu diesem bewegt wird und die Größe des elektrischen Wider­ standes des Mediums zwischen dem Laserschneidkopf und dem Werk­ stück sowie der zwischen dem Laserschneidkopf, insbesondere der Laserdüse, und dem Werkstück zum Zeitpunkt der Widerstandsmessung bestehende Abstand gemessen und die Parameter des Schneidvorgangs in Abhängigkeit von den ermittelten Größen des elektrischen Wi­ derstandes sowie des Abstandes gesteuert werden.

Eine gattungsgemäße Laserschneidmaschine sowie ein gattungsgemä­ ßes Verfahren zum Laserschneiden sind aus DE 43 26 421 C1 be­ kannt. Der Stand der Technik nutzt für die Strahlerkennung an La­ serschneidmaschinen die Erkenntnis, daß die Leitfähigkeit des Di­ elektrikums zwischen Laserschneidkopf und zu bearbeitendem Werk­ stück bei gegebenem Schneidkopfabstand von dem Werkstück im Falle des Vorhandenseins eines Bearbeitungsstrahles einen anderen Wert annimmt als bei Fehlen eines derartigen Strahles. Zur Umsetzung dieser Erkenntnis offenbart die genannte Druckschrift die Verwen­ dung eines Weggebers im Zusammenspiel mit einer kapazitiven Meß­ einrichtung. Dabei ist der Weggeber mit dem Schneidkopf gekoppelt und definiert unterschiedliche Abstände des Schneidkopfs von dem Werkstück. Vor der Zündung des Schneidkopfs wird jedem durch den Weggeber definierten Abstandswert ein mittels der kapazitiven Meßeinrichtung bestimmter Wert für die Leitfähigkeit des Dielek­ trikums zwischen Schneidkopf und Werkstück zugeordnet. Nach Betä­ tigung der Zündeinrichtung der Maschine wird der Schneidkopf in Positionen bewegt, in welchen er mit zuvor durch den Weggeber de­ finierten Abständen von dem Werkstück angeordnet ist. Bei derar­ tigen Abständen des Schneidkopfs von dem Werkstück wird dann er­ neut mittels der kapazitiven Meßeinrichtung der jeweilige Wert der Leitfähigkeit des Dielektrikums zwischen Schneidkopf und Werkstück bestimmt. Die Ergebnisse dieser Messung werden an­ schließend mit den vor der Zündung des Schneidkopfs ermittelten Referenzwerten verglichen. Ergibt sich bei diesem Vergleich eine Werteabweichung, so indiziert dies das Vorhandensein eines Bear­ beitungsstrahles. Eine Werteübereinstimmung zeigt an, daß die Be­ tätigung der Zündeinrichtung erfolglos geblieben und eine Nach­ zündung erforderlich ist. Durch die Bestimmung von Abstandswerten soll im Falle des Standes der Technik sichergestellt werden, daß die kapazitive Messung des Ist-Wertes der Leitfähigkeit nach Be­ tätigen der Zündeinrichtung bei denselben für das Meßergebnis maßgebenden Bedingungen erfolgt, unter denen zuvor der betreffen­ de Referenzwert der Leitfähigkeit bestimmt worden ist. Daß die mittels der kapazitiven Meßeinrichtungen erlangten Werte tatsäch­ lich die Leitfähigkeit des Mediums zwischen Schneidkopf und Werk­ stück wiedergeben und dementsprechend eine geeignete Grundlage für die zu treffende Entscheidung über Maßnahmen zur Maschinen­ steuerung bieten, wird gemäß DE 43 26 421 C1 ohne weiteres unter­ stellt.

GB 2 246 733 A beschreibt eine Laserbearbeitungsmaschine sowie ein Laserbearbeitungsverfahren, im Falle derer von einer Ab­ standsmeßeinrichtung kein Gebrauch gemacht wird. Entsprechend ist der Offenbarungsgehalt von DE 44 42 238 C1.

Ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Fehlsteue­ rung von Laserschneidmaschinen bzw. eine fehlerhafte Werkstückbe­ arbeitung zu vermeiden.

Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe mittels einer Laser­ schneidmaschine nach Patentanspruch 1 sowie mittels eines Verfah­ rens zum Laserschneiden nach Patentanspruch 2. Insbesondere beim Schneiden verhältnismäßig dicker Werkstücke aus nichtrostenden Stählen und dabei vor allem bei Schnittführung im Bereich von Werkstückecken können sich Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der gewünschten Schnittqualität ergeben. So ist unter den be­ schriebenen Umständen gelegentlich zu beobachten, daß der Laser- Schneidstrahl die erforderliche Schnittiefe nicht beibehalten kann und dementsprechend mehrfach und/oder mit geänderten Schneidparametern an der betreffenden Schnittlinie entlanggeführt werden muß, bis er das Werkstück durchtrennt. Die erfindungsgemä­ ße Aufgabenlösung basiert auf der Erkenntnis, daß die Größe des elektrischen Widerstandes des Mediums zwischen dem Laserschneid­ kopf und dem Werkstück einen Rückschluß auf die an der Schneid­ stelle erzielte Schnittqualität zuläßt. So hat es sich gezeigt, daß der genannte elektrische Widerstand bei regulärem Schneidbe­ trieb, wenn der Laserstrahl das Werkstück problemlos durchdringt, verhältnismäßig große Werte annimmt. Schwierigkeiten bei der Werkstückbearbeitung, insbesondere Probleme hinsichtlich der Bei­ behaltung der erforderlichen Schnittiefe des Laserstrahls, sind begleitet von einer Verminderung des elektrischen Widerstandes gegenüber den bei regulärem Schneidbetrieb gemessenen Werten. Dementsprechend kann die Widerstandsmessung als vergleichende Messung durchgeführt werden. Ausgangspunkt bildet dabei der empi­ risch ermittelte Widerstandswert bei regulärem Schneidbetrieb mit optimalem Schneidergebnis. Wird mittels der erfindungsgemäßen Wi­ derstandsmeßeinrichtung ein Abfall der ermittelten Widerstands­ werte festgestellt und überschreitet die Änderung der Wider­ standswerte ein vorgegebenes Maß, so indiziert dies grundsätzlich die Notwendigkeit einer Beeinflussung der Parameter des Schneid­ vorgangs, um auf diesem Wege für Bearbeitungsverhältnisse zu sor­ gen, die eine optimale Schneidbearbeitung des Werkstücks zulas­ sen. In diesem Sinne kann nach Messung verhältnismäßig niedriger Widerstandswerte über die mit der Widerstandsmeßeinrichtung zu­ sammenwirkende Einrichtung zur Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs beispielsweise die Schneidgeschwindigkeit, sprich: die Vorschubgeschwindigkeit des Laserschneidkopfs relativ zu dem Werkstück, herabgesetzt werden. Alternativ oder ergänzend bietet sich unter anderem auch eine Variierung von Düsenabstand, Schneidgasdruck, Schneidgasmenge und/oder Laserstrahlleistung an. Umgekehrt signalisiert ein Anstieg der Größe des elektrischen Wi­ derstandes des Mediums zwischen Laserschneidkopf und Werkstück von verhältnismäßig niedrigen Werten auf dem regulären Schneidbe­ trieb zuzuordnende Werte, daß der Laserstrahl das Werkstück funk­ tionsgemäß durchdringt und daß beispielsweise die Vorschubge­ schwindigkeit des Laserschneidkopfs und/oder die Laserstrahllei­ stung gegenüber den momentanen Verhältnissen wieder erhöht werden kann. Der Umfang der Änderung des bzw. der betreffenden Parameter des Schneidvorgangs ist dabei abhängig von dem Ausmaß der festge­ stellten Abweichung des momentanen Widerstandswertes von dem Wi­ derstandswert bei regulärem Schneidbetrieb.

Die Auswerteeinrichtung erfindungsgemäßer Maschinen berücksich­ tigt zum einen das Meßergebnis der Widerstandsmeßeinrichtung zur Ermittlung der Größe des elektrischen Widerstandes des Mediums zwischen Laserschneidkopf und Werkstück. Zum andern bezieht die Auswerteeinrichtung aber auch den zwischen dem Laserschneidkopf, insbesondere der Laserdüse, und dem Werkstück zum Zeitpunkt der Widerstandsmessung bestehenden Abstand ein. Auf diese Art und Weise wird eine Fehlsteuerung der Maschine ausgeschlossen. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Abstandsmeßeinrichtung eröffnet nämlich die Möglichkeit zur Überprüfung, ob beispielsweise ein mittels der Widerstandsmeßeinrichtung gemessener niedriger elek­ trischer Widerstandswert tatsächlich als Hinweis auf eine vermin­ derte Schnittqualität anzusehen ist, oder ob dieser Widerstands­ wert darauf beruht, daß der Laserschneidkopf versehentlich an dem Werkstück zur Anlage gekommen und dadurch ein Kurzschluß erzeugt worden ist, infolge dessen der gemessene elektrische Widerstand ebenfalls einen niedrigen Wert annimmt. Eine zur Vergrößerung der gemessenen Widerstandswerte führende Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs wird lediglich in dem erstgenannten Fall veran­ laßt, in welchem der für das Medium zwischen Laserschneidkopf und Werkstück gemessene elektrische Widerstand einen niedrigen Wert besitzt und der Abstand zwischen Laserschneidkopf und Werkstück von Null verschieden ist. Wird für das Medium zwischen Laser­ schneidkopf und Werkstück ein elektrischer Widerstand gemessen, der seiner Größe nach dem elektrischen Widerstand bei regulärem Schneidbetrieb mit optimalem Schneidergebnis entspricht, so kön­ nen die eingestellten Parameter des Schneidvorgangs unverändert bleiben. Kommt es zu einer Änderung des gemessenen Widerstands­ wertes, so werden die Parameter des Schneidvorgangs in Abhängig­ keit von dem Umfang der Widerstandsänderung variiert.

In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs Gruppen ermittelter Größen des elektrischen Widerstandes jeweils ein Be­ trag des betreffenden Parameters zugeordnet. So wird beispiels­ weise bei unterschiedlich großen aber innerhalb einer vorgegebe­ nen Bandbreite liegenden elektrischen Widerständen des Mediums zwischen Laserschneidkopf und Werkstück der Betrag der Relativge­ schwindigkeit von Laserschneidkopf und Werkstück auf ein und den­ selben Wert eingestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Dar­ stellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Maschi­ ne näher erläutert.

Die Abbildung zeigt einen Laserschneidkopf 1 mit einer aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gefertigten Laserdüse 2, die ge­ genüber weiteren Teilen des Laserschneidkopfs 1 elektrisch iso­ liert angebracht ist. An einer Düsenmündung 3 tritt aus dem La­ serschneidkopf 1 ein Laserstrahl 4 aus, der dem Laserschneidkopf 1 gegenüberliegend auf ein Werkstück 5 in Form eines elektrisch leitenden Edelstahlblechs trifft, um dieses, wie gestrichelt an­ gedeutet, unter schneidender Bearbeitung zu durchdringen. Über eine Gaszuführung 6 wird Schneidgas, im dargestellten Beispiels­ fall Stickstoff, in den Laserschneidkopf 1 aufgegeben. Ein Schneidgasstrahl 7 tritt ebenfalls über die Düsenmündung 3 aus dem Inneren des Laserschneidkopfs 1 in Richtung auf das Werkstück 5 aus. Während der schneidenden Bearbeitung wird das Werkstück 5 ortsfest gehalten, der Laserschneidkopf 1 relativ zu dem Werk­ stück 5 von diesem beabstandet und parallel zu diesem verschoben.

Eine Spannungsquelle 8 ist einerseits mit der Laserdüse 2 und an­ dererseits mit dem Werkstück 5 leitend verbunden. Dabei ist zwi­ schen die Spannungsquelle 8 und das Werkstück 5 eine Widerstands­ meßeinrichtung 9 eingeschaltet, welche neben einem Meßgerät 10 einen dazu parallelgeschalteten Widerstand 11 sowie einen Vorwi­ derstand 12 umfaßt. Im weiteren Sinne sind auch die Laserdüse 2, die Spannungsquelle 8 und das Werkstück 5 Bestandteile der Wider­ standsmeßeinrichtung 9. Eine kapazitive Abstandsmeßeinrichtung 13 bekannter Art zur Bestimmung des Abstandes des Laserschneidkopfs 1 von dem Werkstück 5 macht ebenfalls von der Laserdüse 2 Ge­ brauch.

Wie in der Abbildung gestrichelt angedeutet, stehen sowohl die Widerstandsmeßeinrichtung 9 als auch die kapazitive Abstandsmeß­ einrichtung 13 mit einer rechnergestützten Auswerteeinrichtung 14 in Verbindung. Diese wiederum ist mit einer Einrichtung 15 zur Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs, sprich: mit der Ma­ schinensteuerung, gekoppelt.

Bei Schneidbetrieb der Maschine wird über die Widerstandsmeßein­ richtung 9 fortlaufend der elektrische Widerstand des Mediums zwischen der Laserdüse 2 und dem Werkstück 5 bestimmt. Bei regu­ lären Schneidbedingungen, unter denen mittels des Laserstrahls 4 in dem Werkstück 5 ein Trennschnitt mit der gewünschten Qualität hergestellt wird, nimmt der gemessene Widerstand einen in etwa konstanten und gegen unendlich gehenden Wert an. Kommt es im Be­ reich der Schneidstelle beispielsweise bei Kurvenfahrt des Laser­ schneidkopfs 1 mit starker Kurvenkrümmung bei gegebenen Parame­ tern des Schneidvorgangs zu Schwierigkeiten bei der Aufrechter­ haltung der erforderlichen Schnittiefe des Laserstrahls 4, so vermindert sich gleichzeitig der mit Hilfe der Widerstandsmeßein­ richtung 9 bestimmte elektrische Widerstand gegenüber dem Aus­ gangszustand erheblich. Diese Widerstandsverminderung bzw. der sich ergebende reduzierte Widerstandswert wird mittels der Aus­ werteeinrichtung 14 erfaßt.

Gleichzeitig erfaßt die Auswerteeinrichtung 14 den mittels der kapazitiven Abstandsmeßeinrichtung 13 ermittelten Abstand von Laserdüse 2 und Werkstück 5. Ist der Abstand zwischen der Laser­ düse 2 und dem Werkstück 5 von Null verschieden, ist also die Laserdüse 2 von dem Werkstück 5 beabstandet und nimmt der mittels der Widerstandsmeßeinrichtung 9 bestimmte elektrische Widerstand des Mediums zwischen der Laserdüse 2 und dem Werkstück 5 einen verhältnismäßig niedrigen Wert an, so indiziert dies für die Aus­ werteeinrichtung 14 das Vorliegen von Bearbeitungsbedingungen, unter denen mit einer verminderten Schneidqualität zu rechnen ist, da der Laserstrahl 4 das Werkstück 5 nicht mehr bzw. nicht mehr durchgängig entlang der Schnittlinie durchsetzt. Auf der Grundlage der gemessenen Widerstandswerte bzw. der Widerstands­ wertänderung erzeugt die Auswerteeinrichtung 14 Steuersignale für die Einrichtung 15 zur Steuerung der Parameter des Schneidvor­ gangs, aufgrund derer die letztgenannte Einrichtung 15 die Rela­ tivgeschwindigkeit von Laserschneidkopf 1 und Werkstück 5 und/ oder die Leistung des Laserstrahls 4 herabsetzt, bis der über die Widerstandsmeßeinrichtung 9 bestimmte elektrische Widerstand Wer­ te annimmt, die dem bei regulärem Schneidbetrieb gemessenen Wert entsprechen oder diesem Wert zumindest eng benachbart sind.

Auf die beschriebene Art und Weise werden die Parameter des Schneidvorgangs derart eingestellt, daß an der Schneidstelle stets Bearbeitungsverhältnisse herrschen, die einen optimalen Be­ arbeitungserfolg gewährleisten.

Die Widerstandsmeßeinrichtung läßt sich auch beim Einstechen des Laserstrahls in das zu bearbeitende Werkstück 5 nutzen. So kann der Vorschub des Laserschneidkopfs 1, d. h. dessen Relativbewegung gegenüber dem Werkstück 5, erst einsetzen, wenn der auf das Werk­ stück 5 zu Beginn der Bearbeitung gerichtete Laserstrahl 4 dieses erstmalig durchdrungen, also das Werkstück 5 "durchstochen" hat. Bis dies der Fall ist, nimmt der elektrische Widerstand des Medi­ ums zwischen der Laserdüse 2 und dem Werkstück 5 verhältnismäßig niedrige Werte an. Die Größe des elektrischen Widerstandes steigt schlagartig an, sobald der Laserstrahl 4 das Werkstück 5 durch­ dringt. Der beschriebene Anstieg des elektrischen Widerstandes wird mittels der Widerstandsmeßeinrichtung 9 festgestellt und markiert den Zeitpunkt, zu welchem der Vorschub des Laserschneid­ kopfs 1 gegenüber dem Werkstück 5 in Bearbeitungsrichtung einset­ zen kann. Entsprechendes wird von der Maschinensteuerung veran­ laßt.

Auf die beschriebene Art und Weise wird die Möglichkeit eröffnet, den Vorschub des Laserschneidkopfs 1 zum frühestmöglichen Zeit­ punkt aufzunehmen und dadurch die Werkstückbearbeitung mit mini­ maler Bearbeitungszeit durchzuführen.

Claims (3)

1. Laserschneidmaschine zum Schneiden elektrisch leitender Werkstücke (5) mit einem relativ zu dem zu bearbeitenden Werk­ stück (5) von diesem beabstandet bewegbaren Laserschneidkopf (1) zumindest mit einem elektrisch leitenden Teil, insbesondere einer elektrisch leitenden Laserdüse (2), mit einer Abstandsmeßeinrich­ tung (13) zur Bestimmung des Abstandes des Laserschneidkopfs (1), insbesondere der Laserdüse (2), von dem Werkstück (5), mit einer Widerstandsmeßeinrichtung (9), die einerseits mit dem Laser­ schneidkopf (1) bzw. dessen elektrisch leitendem Teil, insbeson­ dere der Laserdüse (2) des Laserschneidkopfs (1), und anderer­ seits mit dem Werkstück (5) in Verbindung steht und mittels derer die Größe des elektrischen Widerstandes des Mediums zwischen dem Laserschneidkopf (1), vorzugsweise der Laserdüse (2), und dem Werkstück (5) bestimmbar ist sowie mit einer Einrichtung (15) zur Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs, mit welcher die Wi­ derstandsmeßeinrichtung (9) über eine mit der Abstandsmeßeinrich­ tung (13) in Verbindung stehende Auswerteeinrichtung (14) steu­ ernd gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinrichtung (14) in Abhän­ gigkeit von der ermittelten Größe des elektrischen Widerstandes sowie dem bestimmten Abstand des Laserschneidkopfs (1), insbeson­ dere der Laserdüse (2), von dem Werkstück (5) ein Steuersignal für die Einrichtung (15) zur Steuerung der Parameter des Schneid­ vorgangs erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteein­ richtung (14) ein Steuersignal für die Einrichtung (15) zur Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs im Sinne einer Ver­ größerung des ermittelten elektrischen Widerstandes nur unter der Voraussetzung erzeugt, daß der mittels der Abstandsmeßeinrichtung (13) bestimmte Abstand von Null verschieden ist.

2. Verfahren zum Laserschneiden elektrisch leitender Werkstücke (5), wobei ein Laserschneidkopf (1) von dem zu bearbeitenden Werkstück (5) beabstandet relativ zu diesem bewegt wird und die Größe des elektrischen Widerstandes des Mediums zwischen dem La­ serschneidkopf (1) und dem Werkstück (5) sowie der zwischen dem Laserschneidkopf (1), insbesondere der Laserdüse (2), und dem Werkstück (5) zum Zeitpunkt der Widerstandsmessung bestehende Ab­ stand gemessen und die Parameter des Schneidvorgangs in Abhängig­ keit von den ermittelten Größen des elektrischen Widerstandes so­ wie des Abstandes gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Schneidvorgangs nur unter der Voraussetzung im Sinne einer Vergrößerung der gemessenen Widerstandswerte gesteu­ ert werden, daß der gemessene Abstand zwischen Laserschneidkopf (1) und Werkstück (5) von Null verschieden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung der Parameter des Schneidvorgangs Gruppen ermittel­ ter Größen des elektrischen Widerstandes jeweils ein Betrag des betreffenden Parameters zugeordnet wird.